hierro gris 2013 maln

8/13/2019 Hierro Gris 2013 MALN

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Hierro Gris

DB Craig, MJ Hornung, and TK McCluhan, Elkem Metals Company DB Craig, MJ Hornung, y TK McCluhan,Elkem Metals Company

Introduccin

EL TRMINO HIERRO GRIS se refiere a una amplia clase de aleaciones de fundicinferrosos caracterizados normalmente por una microestructura de grafito en escamas en unamatriz ferrosa. Hierros grises son en esencia las aleaciones hierro-carbono-silicio quecontienen pequeas cantidades de otros elementos. Como clase, varan ampliamente en suspropiedades fsicas y mecnicas.

La metalurgia de los hierros grises es extremadamente compleja debido a una ampliavariedad de factores que influyen en su solidificacin y posteriores transformaciones alestado slido. A pesar de esta complejidad, los hierros grises han encontrado una ampliaaceptacin en base a una combinacin de colabilidad excepcional, excelente

maquinabilidad, economa, y propiedades nicas.

MetallurgyMetalurgia

Crucial para la comprensin de la produccin, las propiedades y aplicaciones del hierro grises la comprensin de su metalurgia.

While it is beyond the scope of this article to detail gray iron metallurgy, it is important tounderstand the metallurgical background of this group of ferrous casting alloys. Si bien estms all del alcance de este artculo al detalle la metalurgia del hierro gris, es importanteentender el trasfondo metalrgico de este grupo de aleaciones de fundicin ferrosos. The

importance of composition and processing variables in product performance cannot beoveremphasized. La importancia de la composicin y las variables de proceso de en elrendimiento del producto no pueden exagerarse.

Composicin

Por razones de claridad y simplicidad, los anlisis qumicos del hierro gris se puedendividir en tres categoras. La primera categora incluye los elementos principales. En elsegundo grupo son elementos de aleacin menores, normalmente de bajo nivel que estncrticamente relacionados con la solidificacin del hierro gris. Finalmente, hay una serie deelementos traza que afectan a la microestructura y/o propiedades del material.

Elementos Mayores. Los tres elementos principales en hierro gris son carbono, silicio yhierro. Niveles de carbono y silicio que se encuentran en los hierros comerciales varanampliamente, como se muestra a continuacin:


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Sobre todo debido a la elaboracin de hierro dctil y algunos grados especializados dehierros aleados, la mayora de los hierros grises se producen con niveles de carbono total3,0-3,5%. Niveles de silicio normales varan desde 1,8 hasta 2,4%.

Hierros grises son normalmente vistas como aleaciones ternarias de silicio hierro-carbono.Una seccin del diagrama de fase de equilibrio a 2,5% de Si se muestra en la figura 1.1.Como puede verse, el material presenta solidificacin eutctica y est sujeto a unatransformacin eutectoide de estado slido. Estos dos factores dominan la metalurgia delhierro gris.

La figura1Diagrama de fases hierro-carbono al 2,5% de Si.Fuente: Ref. 1

Tanto carbono y silicio influyen en la naturaleza de piezas de fundicin de hierro. Por tanto,es necesario desarrollar una aproximacin acerca de su impacto en la solidificacin. This


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has been accomplished through development of the concept of carbon equivalence (CE).Esto se ha logrado mediante el desarrollo del concepto de carbono equivalente (CE).Usando este enfoque, el carbono equivalente se calcula como:

o ms precisamente, teniendo en cuenta el fsforo:

Usando las ecuaciones 1 y 2, es posible relacionar el efecto de carbono, silicio, y fsforopara el sistema hierro-carbono binario.

Irons with a carbon equivalent of 4.3 are considered to be of eutectic composition. Hierroscon un carbono equivalente de 4,3 se considera que son de composicin eutctica. Lamayora de los hierros grises son hipoeutcticos (es decir, el CE


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La figura2Efecto del azufre en el recuento de clulas eutcticas y claro enfriamiento profundopara hierros grises inoculados y no inoculados. Fuente: Ref. 4

Es importante que el contenido de azufre del hierro sea equilibrado con el manganeso parapromover la formacin de sulfuros de manganeso. Normalmente, esto se logra mediante eluso de la ecuacin 3:

Trabajos recientes han indicado que el nivel de 0,3% se puede reducir levemente; algunasfundiciones suman slo el 0,2% de exceso de manganeso.

Elementos traza. Adems de estos elementos primarios, hay una serie de elementosmenores que afectan a la naturaleza y las propiedades del hierro gris. La Tabla 1, extradaen parte de una tabulacin por BCIRA, muestra los efectos de algunos elementos traza enhierro gris, as como sus posibles fuentes. Dependiendo de los requerimientos depropiedades, muchos de estos elementos pueden ser aadidos intencionadamente al hierrogris. Por ejemplo, a menudo se agregan estao y cobre para promover la perlita.


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Fuente: Ref. 5


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Solidificacin

La solidificacin eutctica y las transformaciones que le acompaan son responsables deldesarrollo del grafito y de la estructura de la matriz de un hierro fundido y son discutidas enel artculo "solidificacin de eutcticos" en este volumen. Una revisin de estos principios,

ya que pertenecen al hierro gris se presenta en los siguientes prrafos.La mayora de los hierros grises son hipoeutcticos por naturaleza (es decir, el CE


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composicin eutctica de 4,3%. Una vez que esta composicin se alcanza, el lquido setransforma en dos slidos. Esto se lleva a cabo entre los puntos 2 y 3. El tipo de slidoformado depende de si la solidificacin est siguiendo la reaccin eutctica metaestable oestable. Carburo de hierro de ms forma austenita durante la reaccin metaestable Grafitode ms forma austenita durante la reaccin estable. Cuando la solidificacin eutctica se

completa, no queda ningn metal lquido, y cualquier reaccin adicional se lleva a cabo enel estado slido.

Aunque no se muestra en la figura 3, en el intervalo de temperatura entre lastransformaciones eutcticas y eutectoides, marcadas por puntos 3 y 4, la austenita de altocarbono expulsa carbono, que se difunde a los copos de grafito. Esto permite que laaustenita adquiera la composicin necesaria para la transformacin eutectoide, que, encondiciones de equilibrio, se lleva a cabo entre los puntos 4 y 5. Esta transformacinimplica la descomposicin de la austenita en perlita o perlita ms ferrita, dependiendo defactores tales como la velocidad de enfriamiento y el contenido de aleantes del hierro. Enlos hierros grises puros, no hay cambios significativos en la microestructura que seproduzcan por debajo de la lnea de transformacin eutectoide.

Morfologa del Grafito

Las propiedades mecnicas y fsicas de hierro gris se rigen en parte por la forma, tamao,cantidad, y la distribucin de las escamas de grafito. Un mtodo para evaluar la distribucinde la escama de grafito y su tamao se da en la norma ASTM A 247, y la metalografa delos hierros fundidos se discute en la Ref. 7, 8, 9.

Hay cinco distribuciones de grafito en escamas: de A a E (Fig. 4).

La figura4Distribuciones de grafito especificados en la norma ASTM A 247


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Copos de grafito Tipo A se distribuyen al azar y orientados a lo largo de la matriz de hierro.Este tipo de grafito se encuentra en los hierros que se solidifican con una mnima cantidadde subenfriamiento y el tipo A es la estructura deseada si las propiedades mecnicas sonoptimizadas.

Grafito Tipo B se forma en hierros de composicin casi eutctica que se solidifican con unamayor cantidad de subenfriamiento que la asociada con el tipo A de grafito.

Rosetones que contienen grafito fino, son caractersticos del tipo B, precipitan en el iniciode la solidificacin eutctica.

El calor de fusin asociado con su formacin aumenta la temperatura del lquido que lorodea, disminuyendo as el subenfriamiento lo que resulta en la formacin de tipo A degrafito.

Los Tipos de grafito D y E se forman cuando la cantidad de subenfriamiento es alto, pero

no lo suficiente para provocar la formacin de carburo. Ambos tipos se encuentran enregiones interdendrticas.

La manera en la cual el plano de pulido intersecta las escamas de grafito puede serresponsable de esta diferencia en la orientacin. Se han encontrado elementos tales como eltitanio y el aluminio para promover estructuras de grafito subenfriadas. La matriz de hierroasociada con grafito subenfriado es generalmente ferrita debido a la formacin de finasescamas muy ramificadas que reducen las distancias de difusin de carbono y resultan enuna matriz de bajo contenido de carbono. Debido a que la ferrita presenta una resistencia ala traccin ms baja que la perlita, hay una disminucin de la resistencia esperada delhierro. Ejemplos de grafito tipo A, B, y D que se encuentran en hierros comerciales semuestran en la figura. 5. 5.

La figura 5 Ejemplos de grafito tipo A (a), tipo B (b), y tipo D (c) de los hierros grisesproducidos por fundicin. Aspulidos100

El grafito Tipo C se presenta en hierros hipereutcticos, particularmente aquellos con unalto contenido de carbono. El grafito Tipo C precipita durante el enfriamiento primario delhierro. El grafito Kish, como se le llama a menudo, aparece como placas gruesas, rectas. Sereduce en gran medida las propiedades mecnicas del hierro y produce un acabado


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superficial rugoso cuando se maquina. El grafito Tipo C es, sin embargo, deseable enaplicaciones que requieren un alto grado de transferencia de calor.

Tamaos de escamas de grafito como los categoriza la norma ASTM A247 se muestran enla figura 6. Grandes copos estn asociados con los hierros que tienen carbonos equivalentes

y altos ndices de enfriamiento lento. Hierros fuertemente hipoeutcticos sometidos a unarpida solidificacin exhiben generalmente pequeos copos, cortos. Los grandes copos sondeseables en aplicaciones que requieren alta conductividad trmica y capacidad deamortiguacin. Escamas pequeas, debido a que alteran la matriz en menor medida, sondeseables cuando se necesitan propiedades de traccin mxima y un acabado de superficiefino, suave.

La figura6Tamaosdegrafito en escamas como se especifica en la norma ASTM A 247

Estructura de la matriz

Se requiere un reactivo de ataque, tal como Nital al 2% para revelar las fases de la matrizen la que las escamas de grafito residen. Commonly found phases in cast iron are ferrite,


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cementite, and pearlite. Comnmente las fases que se encuentran en el hierro fundido sonferrita, cementita y perlita.

Ferrita es la fase blanda, baja en carbono -hierro que exhibe resistencia a la traccinbaja, pero de alta ductilidad. Se promueve por grafitizantes como el silicio, as como a tasas

de enfriamiento lento, como las que se encuentran en las secciones pesadas. Como semencion anteriormente, la ferrita se encuentra a menudo en combinacin con grafitosubenfriado (Fig. 7).

La figura7Grafito y perlita revelada por ataque con un nital al 2%. La ferrita se encuentra congrafito subenfriado.100

Cementita,o carburo eutctico, es un compuesto intermetlico duro, quebradizo de hierro ycarbono. Su formacin se ve favorecida en las zonas de una pieza de fundicin donde tienelugar un enfriamiento rpido, tal como en secciones delgadas, en las esquinas, y a lo largode la superficie de molde. Hierros con carbono equivalente bajo, particularmente aquelloscon bajos contenidos de silicio, es probable que contengan cementita. Un ejemplo decarburo eutctico que se encuentra en un hierro moteado se muestra en la figura 8.

La figura 8 Fundicin Moteada atacada utilizando picral al 4%. La fase blanca es el carburoeutctico.50.Fuente: Ref. 10

La perlitaes el producto de la transformacin eutectoide y en el hierro gris se compone deplacas laminares de ferrita y cementita. It possesses higher hardness and tensile strengththan ferrite but lower ductility. Posee mayor dureza y resistencia a la traccin que la ferritapero menor ductilidad. La dureza y resistencia a la traccin asociado con la perlita


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depender principalmente de la separacin de las placas. Los valores ms altos seencontraron en perlita con espaciado interlaminar fina, que se asocia con tasas deenfriamiento ms rpido o aleacin. Una comparacin de la resistencia a la traccin,ductilidad, y los valores de dureza para estas fases de la matriz se da a continuacin:

Fuente: Ref. 6

Otros microconstituyentes tambin se pueden formar en el hierro gris por el cambio de lavelocidad de solidificacin o mediante la adicin de elementos de aleacin. Bainita sepuede producir sometiendo el hierro a un tratamiento isotrmico. Templando el hierrodesde la regin de austenita puede inducir a la formacin de martensita. Elementos dealeacin como el nquel se pueden utilizar para producir hierros grises austenticos. Losvalores de dureza para varias combinaciones de grafito y otras fases de la matriz se dan enla Tabla 2.

Tabla 2 Rangos de Dureza para diversas combinaciones de microestructuras de hierro gris

Fuente: Ref. 11

Esteadita,el fosfuro de hierro eutctico, se encuentra comnmente en los hierros grises concontenido de fsforo en exceso del nivel de 0,02% considerando lo que es soluble enaustenita. Tiene un punto de fusin bajo (alrededor de 930 C o 1705 F) y es tpicamente


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el ltimo componente que se solidifica. Esto explica su presencia en los lmites de grano,donde puede asumir una apariencia tringulo cncava (Fig. 9). Esteadita, como los carburosde hierro, pueden disminuir las propiedades mecnicas del hierro. Los elementos talescomo cromo y molibdeno pueden concentrarse en la fase fosfuro, lo que aumenta suvolumen (Ref. 13).

La figura9Esteadita en fundicin gris.Atacado usando nital al 2%.400Fuente: Ref. 12

Sulfuros de manganeso se encuentran comnmente uniformemente distribuidos en lamatriz de hierro gris, como se muestra en la figura 10. Son inclusiones gris paloma,inclusiones de formas geomtricas que se forman antes de la solidificacin final. Lapresencia de sulfuro de manganeso es un resultado de adiciones deliberadas de manganesopara evitar la formacin de sulfuros de hierro frgiles que de otro modo se formaran en loslmites de grano. Manganeso suficiente debe agregarse para tapar el azufre en exceso yevitar que esto ocurra. La ecuacin 3 se usa para determinar el manganeso necesario paraequilibrar el azufre. Manganeso adicional se agrega a veces, y la regla general es aadir tresveces ms manganeso que el azufre necesite para asegurar la neutralizacin.

La figura10 Sulfuro de manganeso (gris oscuro, redondeado) e inclusiones de carbonitruro detitanio (gris claro, angulares).Atacado usando 2% nital.500

Carburos de titanioo carbonitruros de titanio a menudo se observan en hierro gris. Esto esparticularmente cierto para hierros a los que han sido hechas adiciones deliberadas detitanio para evitar la formacin de defectos de fisuras de nitrgeno. Estas inclusiones sonangulares, a menudo cbicos en apariencia, y se encuentran por toda la matriz, pero seconcentran en las regiones intergranulares (Fig. 10). Por lo general, poseen un color


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anaranjado cuando se observa bajo luz reflejada, pero otros colores, incluyendo azul-gris,violeta, rosa y amarillo, se han observado, segn el contenido de nitrgeno (Ref. 14).

Sensibilidad de laSeccin

La solidificacin de una fundicin de hierro gris es controlada por la composicin y lavelocidad de enfriamiento del hierro dentro de la pieza de fundicin. Cada variable tiene unefecto considerable sobre la solidificacin. Sin embargo, una vez que el hierro se vierte enel molde, la composicin es fija y, a excepcin de la segregacin localizada, sigue siendorelativamente homognea a lo largo de la pieza de fundicin.

Por lo tanto, durante la solidificacin, la velocidad de enfriamiento se convierte en lavariable de control. La velocidad de enfriamiento influye en la microestructura desde elinicio de la solidificacin hasta que el hierro pasa a travs de la transformacin eutectoide.Se trata de un factor de control en la cantidad de carbono que permanece en solucin y porlo tanto afecta a la microestructura resultante.

La velocidad de enfriamiento es influenciada por un nmero de variables que incluyen latemperatura de vertido, la tasa de vertido, volumen de hierro a enfriar, rea superficial delhierro, la conductividad trmica del material del molde, la cantidad de material del moldeque rodea la pieza de fundicin, el nmero de piezas de fundicin en un molde, la ubicacinde los corazones, y la posicin de las salidas y alimentadores (Ref. 15). Dentro de unmolde, un nmero de estas variables se mantendr constante. Sin embargo, como larelacin de volumen a rea de superficie de la pieza fundida vara de una seccin a otra,tambin lo hace la velocidad de enfriamiento correspondiente. Esta variacin en lavelocidad de enfriamiento de resulta en cambios en el patrn de solidificacin para cadaseccin, lo que puede crear una variacin en las propiedades mecnicas dentro de la piezade fundicin. Por lo tanto, se dice que la solidificacin de una fundicin de hierro gris essensible a la seccin correspondiente.

Es importante tanto para el diseador de colada como para el fundidor reconocer lasensibilidad de la seccin del hierro gris. El diseador de colada debe indicar culespropiedades mecnicas se requieren en cada seccin de una pieza de fundicin, as comoaquellas secciones que son crticas. El fundidor puede entonces seleccionar la composicinde hierro que va a desarrollar las propiedades mecnicas deseadas durante la solidificacin.

El efecto del espesor de la seccin sobre la dureza del hierro gris se ilustra en la figura 11.Una barra en forma de cua con una inclinacin de 10 se col en un molde de arena y seseccion cerca del centro de la barra. Determinaciones de dureza Rockwell se hicieronprogresivamente desde la punta hasta la base de la cua. El efecto de aumentar el tamaode la seccin se muestra por el cambio en la dureza asociada con el aumento de la anchurade la cua.

La velocidad de enfriamiento es ms alta en la punta de la cua. Esto resulta en laformacin de hierro blanco, una mezcla de carburo de hierro y perlita que esconsiderablemente ms duro que el hierro gris (fig. 11). Cuando la velocidad de


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enfriamiento ha disminuido lo suficiente para permitir la formacin de algo de grafito,aparece una zona de moteado. Esta zona moteada, que es una mezcla de hierro gris yblanco, tiene una dureza menor que la punta de hierro blanco. Como la anchura sigueaumentando, el hierro blanco desaparece gradualmente, y hay una cada correspondiente enla dureza. Como el hierro blanco desaparece, la microestructura se convierte en una mezcla

de ferrita de y de grafito tipo D, lo que resulta en la dureza mnima se muestra en la figura11. Una reduccin adicional en la velocidad de enfriamiento resulta en un incremento en ladureza as como cambios de la microestructura de grafito tipo D al tipo A y convierte lamatriz de ferrita a perlita. Como la velocidad de enfriamiento contina disminuyendo, ladureza se reduce debido a una conversin gradual de la perlita en ferrita y la formacin deuna estructura de grafito ms grueso.

La Figura 11 muestra el perfil de dureza para una composicin de hierro gris. Un cambio enla composicin o la prctica de la fundicin puede cambiar esta curva a la derecha o a laizquierda, por lo tanto, la cua puede ser un indicador til de la tendencia del hierro alenfriarse. Mediante la medicin de la profundidad chill en la cua, el fundidor puedesupervisar el hierro gris para las variaciones en el proceso de fundicin.

La figura11Efecto del espesor de la seccin sobre la dureza y la microestructura de la fundicingris.Lecturas de dureza se tomaron al aumentar la distancia desde la punta de una cua fundida

(vase el recuadro).Composicin de hierro fue Fe-3.52C-2.55Si-1,01 mn-0.215P-0.086S.

La velocidad de enfriamiento influye en la cantidad de tiempo permitido para la difusin decarbono de la austenita en el grafito y por lo tanto determina el nivel de carbono combinadoretenido en el hierro. Velocidades de enfriamiento lentas otorgan ms tiempo para ladifusin de carbono. Cuando la cantidad de carbono combinado disminuye, aumenta lacantidad de ferrita, lo que resulta en una reduccin global de la resistencia mecnica delhierro. Por lo tanto, la velocidad de enfriamiento debe ser controlada hasta que lassecciones crticas de la colada pasen a travs de la temperatura eutectoide para asegurar quelas propiedades mecnicas deseadas se han alcanzado.


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En la norma ASTM A 48, el hierro gris se clasifica basado en la resistencia a la traccin delhierro. Las categoras van desde la clase 20 a clase 60 (resistencia mnima a la traccin de138 a 414 MPa, o de 20 a 60 ksi, respectivamente) en una barra de ensayo de 30,5 mm (1,2pulgadas). La Figura 12 muestra el efecto al variar el tamao de la seccin de resistencia ala traccin para diversas clases de hierro. La resistencia a la traccin disminuye al aumentar

el tamao de la seccin para todas las clases de hierro gris. Por ejemplo, un hierro con unaresistencia a la traccin de 310 MPa (45 ksi) en una seccin de 25 mm (1 pulgada) slodesarrollar 207 MPa (30 ksi) en una seccin de 76 mm (3 pulgadas) a causa de ladisminucin de la velocidad de enfriamiento asociado con la seccin ms grande. Estareduccin en la resistencia a la traccin es causada por la presencia de grandes copos degrafito y por una reduccin en el carbono combinado. La disminucin del carbonocombinado resulta en un aumento en la cantidad de ferrita encontrado ya sea como unespaciado de perlita gruesa, o en la aparicin de una fase de ferrita.

La figura 12Efecto del tamao de la seccin sobre la resistencia a la traccin de las muestrasmoldeadas a partir de cinco clases de hierro gris

Cabe sealar que la resistencia mxima de la clase de hierro 20 se produce en una seccinde tamao ms pequeo que la de la clase 60 de hierro. Cada clase tiene un tamao mnimode la seccin que se puede colar sin la formacin de carburo de hierro; tamaos de lassecciones mnimas recomendadas se indican en la Tabla 3 para cada clase de hierro grispuro. Es importante, tanto para el fundidor y el diseador de reconocer que cada clase dehierro tiene un tamao mnimo de la seccin en la que se puede colar sin la presencia dechill y que este mnimo se incrementa con las clases ms altas de hierro gris.

Tabla 3 Tamaos mnimos recomendados de las secciones de los hierros grises puros


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(a)Relaciones volumen a rea superficial para placas cuadradas.

Las tasas de enfriamiento son difciles de predecir para las formas complejas. Sin embargo,la velocidad de enfriamiento para la colada se puede aproximar mediante la comparacin delas distintas secciones de las piezas de fundicin a las formas simplificadas enumeradas enla Tabla 4. Las razones de volumen a rea superficial se han calculado para estas formas ypueden ser comparados con las razones de volumen mnimo-rea superficial de cada clasede hierro que aparece en la Tabla 3.

Tabla 4 Razones de volumen- rea superficial de barras y placas


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Los tamaos mnimos de seccin fueron desarrollados para placas y pueden variardependiendo de la prctica de la fundicin y los efectos de masa. Efectos de masa seproducen cuando una seccin muy grande de una pieza de fundicin se enfra muylentamente e influye en la velocidad de enfriamiento de secciones ms pequeas en lasinmediaciones.

Fundiciones comerciales a menudo utilizan barras de ensayo emitidos por separado paracontrolar las propiedades mecnicas del hierro. Dado que el hierro gris es sensible a laseccin, es importante para los fundidores seleccionar una barra de ensayo con unavelocidad de enfriamiento similar a la de la seccin de control de la pieza colada.Especificacin ASTM A 48 abarca cinco categoras de barras de ensayo que representan adiversos tamaos de las secciones dentro de una colada. Fundiciones suelen elegir una barrade ensayo de 30,5 mm (1,2 pulgadas) de dimetro para controlar las propiedades mecnicasdel hierro gris. Es interesante observar que este dimetro de barra 30,5 mm (1,2 pulgadas)se utiliza en la determinacin de la resistencia mnima a la traccin requerida para cadaclase de hierro. Es importante que el diseador no slo designe la clase de hierro que serequiere, sino tambin en qu secciones se requiere resistencia, de modo que el fundidorpuede controlar con precisin las propiedades mecnicas de la pieza de fundicin.Las referencias citadas en esta seccin1. E. Piwowarsky, Hochwertiges Gusseisen, 2nd ed., Springer-Verlag, 1958 E.Piwowarsky,Hochwertiges Gusseisen,2 ed., Springer-Verlag, 19582. JC Hamaker, WP Wood, and FB Rote, Porosidad interna en Hierro Gris, Trans.AFS,Vol 60, 1952, p 401-4273. "The Importance of Controlling Low Phosphorus Contents in Gray Iron," Broadsheet162, BCIRA, 1977 "La importancia de Controlar los contenidos bajos en fsforo en elhierro gris," Peridico de gran formato 162, BCIRA, 19774. KM Muzumdar and JF Wallace, Efecto del azufre en el hierro fundido, Trans.AFS,Vol81, 1973, p 412-4235. "Efecto de algunos elementos residuales o Traza en hierro fundido," Peridico de granformato 192, BCIRA, 19816. RW Heine, CR Loper, Jr., y el PC Rosenthal, Principios de Colado del metal,2 ed.,McGraw-Hill, 1967, p 496-4977. G. Petzow, Ataque metalogrfico,American Society for Metals, 1978, p 61-688. J. Nelson y GM Goodrich, MetalografaUna necesidad para incluso la pequeaFundicin,Mod.,Junio 1978, p 60-639. WV Ahmed y LJ Gawlick, una tcnica para la retencin de grafito en hierros fundidosdurante el pulido,Mod.Cast.,Enero 1983, p 20-2110. G. Lambert, Ed., Microestructuras tpicas de los metales fundidos, 2 ed., InstitutoBritnico de Fundidores, 1966, p 4711. CF Walton, Manual de colado de hierro gris y dctil,Sociedad de Fundadores, 1971,p19312. HT Angus,Propiedades Fsicas y de Ingeniera de hierro fundido,BCIRA, 1960, p 2113. Estudio en microsonda electrnica de la Distribucin de los elementos en HierrosGrises aleados al Tungsteno y Molibdeno de alta resistencia ., Vol. 1 (N 3), diciembre1965, p 1-814. GV Sol y CR Loper, Jr., Carbonitruros de Titanio en Fundicin de hierro, Trans.AFS,Vol 91, 1983, p 639-646


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15. HC Winte, Sensibilidad a la Seccin en Fundicin de Hierro Gris, Trans.AFS,Vol 54,1946, p 436-443

Practica deFundicin

Aspectos especficos de la prctica de la fundicin de hierro gris que se discutir incluyenla fusin, la inoculacin, aleacin, vertido, y el moldeo. Foundry practices for other castirons are detailed in the articles "Ductile Iron," "Compacted Graphite Irons," "High-AlloyWhite Irons," "Malleable Iron," and "High-Alloy Graphitic Irons" in this Volume. Prcticasde fundicin de otros hierros fundidos se detallan en los artculos "de hierro dctil", "Hierros con grafito compactado," " Fundicin Blanca de alta aleacin ", "hierro maleable",y " Hierros grafticos de alta aleacin " en este volumen.

Fusin

El propsito esencial de la fusin es producir hierro fundido de la composicin y la

temperatura deseada. Para el hierro gris, esto se puede lograr con varios tipos de equipos defusin. Cupolas and induction furnaces tend to be the types most commonly found in thegray iron foundry. Cpulas y hornos de induccin tienden a ser los tipos ms comnmenteencontrados en la fundicin de hierro gris. La cpula ha sido tradicionalmente la principalfuente de hierro fundido. Sin embargo, la aceptacin gradual de la fusin elctrica hareducido el predominio de la cpula. Hierro gris se puede fundir con un solo horno o unacombinacin de hornos. La informacin detallada sobre los parmetros de funcionamientode cada tipo de horno se puede encontrar en la seccin "Equipo de fundicin yprocesamiento" en este volumen.

Regardless of the type of furnace used, the basic melting process is a physical

transformation from solid to liquid rather than a complex reduction or oxidation reaction.Independientemente del tipo de horno utilizado, el proceso bsico de fusin es unatransformacin fsica de slido a lquido en lugar de una reaccin compleja de reduccin ode oxidacin. Por lo tanto, la composicin de todos los materiales cargados en el hornodetermina la composicin de la mezcla de escoria/hierro. Como se mencion anteriormente,la composicin del hierro afectar la microestructura resultante y las propiedadesmecnicas. Por lo tanto, el control de los elementos mayores, menores y traza en losmateriales de carga influir, en ltima instancia, en las propiedades del hierro.

La cpulaes de un eje vertical de acero que puede ser revestido de material refractario orefrigerado por agua, como se muestra en la figura 13. Se compone de un hogar del horno

(o tambin), una zona de fusin, y una pila superior. El hogar del horno incluye las puertasinferiores, el lecho de arena, y el canal de colada. Las toberas estn situadas cerca de laparte inferior de la zona de fusin, y las puertas de carga se encuentran en la pila superior.


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La figura13Vistas en seccin de cpulas convencionales y refrigeradas por agua

La cpula se prepara para la operacin mediante el cierre de las puertas del fondo yapoyndolos con una hlice. Una cama de arena apisonada (6 a 8 pulgadas) de espesor secoloca en las puertas de 150 a 200 mm. El lecho de arena est inclinada de tal manera queel hierro fundido y la escoria que se acumulan en la cama fluyen hacia el orificio de colada,que se encuentra en el borde de la cama de arena. La solera y la zona de fusin se llenancon un lecho de coque a un nivel de aproximadamente de 1 a 1,5 m (40 a 60 pulgadas) porencima del nivel de la tobera. El lecho de coque est encendido, y el eje est lleno de capasalternadas de materiales que contienen hierro, coque, fundentes, y aleaciones. El eje sellena hasta la parte inferior de las puertas de carga. El suministro de aire o de soplado estencendido, provocando un flujo de aire que incide en el lecho de coque a travs de lastoberas. El coque se quema, liberando calor que sobrecalienta una mezcla de aire y los

productos de combustin.

Los gases calientes de la reaccin de combustin se elevan a travs de la pila, calentandolos materiales de carga. Como los materiales de carga descienden a travs de la pila, losmetlicos y los flujos comienzan a derretirse. Se forman pequeas gotas de hierro quepercolan hacia abajo a travs del lecho de coque. El lecho de coque se mantiene slido atemperaturas de hasta aproximadamente 2.000 C (3.630 F) y por lo tanto soporta la carga.Las gotitas de hierro son sobrecalentadas ya que se filtran a travs del lecho de coque y seacumulan en la chimenea. El coque, que se carga en capas alternas con los materialesmetlicos, se repone segn la que se consume durante la combustin. Por lo tanto, la fusines continua siempre y cuando el chorro de aire est encendido.

Como las gotitas del metal pasan en cascada a travs del lecho de coque, sus superficies secarburizan a travs del contacto con el coque. El hierro tambin absorbe el azufre del coquey se oxida ligeramente en la regin por encima de las toberas. El hierro oxidado se reduce acontinuacin, en la regin por debajo de las toberas. Algunas partes de las aleaciones desilicio y manganeso tambin se oxidan en la cpula.


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Sin embargo, el carbono reduce algunos de estos xidos a su forma metlica (Ref. 16). Anyoxides not reduced in the lower region of the furnace are entrained in the slag. Cualquierxido no reducido en la regin inferior del horno es arrastrado a la escoria. Las gotitasfundidas se acumulan dentro del hogar, y el hierro y la escoria se separan debido a susdiferentes densidades. El hierro puede ser aprovechado de la cpula continua o

intermitente, dependiendo del diseo.Cpula de escoria se forma a partir de cenizas de coque y las impurezas que surgen de lacarga, junto con xidos de silicio, de manganeso, y otros elementos de aleacin (Ref. 16).La escoria de la cpula suele ser cida. La acidez se determina por la relacin de CaO aSiO2 en la escoria. La piedra caliza se aade a la carga de la cpula para controlar larelacin de cido/base de la escoria y hacerla fluir hacia la ceniza de coque.

Esta accin fundente intensifica la accin de combustin y la carburacin del coque. Larelacin cido/base de la escoria afecta a la composicin final de la fundicin gris. Unaumento de la basicidad reduce el azufre final y aumenta el carbono en el hierro.

Una disminucin en silicio puede acompaar a este aumento de la basicidad debido alaumento de las prdidas por oxidacin. Por lo tanto, el control de los materiales fundentescargados puede influir en la composicin resultante del hierro gris fundido en cpula.

La composicin de hierro gris fundido en una cpula depende de la composicin de todoslos materiales cargados y el grado de oxidacin que cada elemento experimenta durante lafusin. La ganancia o prdida aproximada que diversos constituyentes de la cargaexperimentan durante el proceso de fusin se muestra a continuacin:

La composicin de la carga metlica se basa en las prdidas estimadas y los requisitos decomposicin de la fundicin gris.


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Las composiciones para hierro gris fundido en una cpula variarn entre las fundiciones, yun poco de experimentacin por lo general se requiere para desarrollar una composicin dela carga.

Fusin por induccin.Hornos de induccin comerciales se clasifican como sin ncleo o de

induccin de canal basado en la funcin de diseo se utiliza para inducir la energa en elmetal. La fusin se lleva a cabo en un horno de induccin a travs de la conversin de uncampo magntico inducido elctricamente en calor dentro de los materiales de cargametlicos. El paso de un campo magntico a travs de un metal elctricamente aislantegenera corrientes elctricas que se convierten en calor debido a la resistencia dentro delmetal. La fusin se produce cuando se ha inducido la energa suficiente a la carga metlica.Ms afluencia de energa da como resultado el sobrecalentamiento del metal lquido. Laentrada de energa controlada da excelente control de la temperatura del metal fundido.

Un horno de induccin sin ncleo (Fig. 14a) consiste en un revestimiento refractario delcrisol rodeado por una bobina de cobre hueco. La bobina de cobre es refrigerada por agua yest conectado a una fuente elctrica de alta energa. La bobina se sostiene comnmente ensu lugar por barras de hierro verticales que actan tambin como yugos magnticos. Elcrisol es generalmente ms profundo que ancho para un buen acoplamiento elctrico. Elcampo de induccin crea una accin de agitacin en el crisol del horno que es directamenteproporcional a la energa de entrada. Un horno de induccin sin ncleo puede fundir, ya seatanto en un proceso por lotes o como una unidad semicontinua. La unidad semicontinuarequiere que alrededor de 50 a 85% del hierro fundido permanezca en el crisol, mientrasque el mtodo por lotes permite la eliminacin completa del hierro fundido antes de cargarmaterial fro. La excelente mezcla debido a la energa inducida hace que el horno deinduccin sin ncleo sea un horno de fusin primaria excelente que proporciona hierro concomposicin qumica uniforme a la temperatura deseada.

La figura 14 Vistas en seccin de los hornos de induccin sin ncleo (a) y tubulares (b).Dimensiones en pulgadas

Un horno de induccin de canal (fig. 14b) consiste en un depsito de metal refractarioforrado conectado a un ncleo de transformador con revestimiento refractario. Un pequeocanal lleno de hierro fundido acta como una pieza del transformador, y la energa elctricaes inducida en este canal de hierro. La energa inducida sobrecalienta y hace circular el


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hierro dentro del canal. El hierro sobrecalentado se devuelve al depsito, donde se mezclaen el bao por conveccin, creando una accin de agitacin suave.

Un horno de induccin de canal es altamente eficiente elctricamente y generalmente operacon una fuente de alimentacin de baja frecuencia. Debido a la accin de agitacin inferior,

un horno de induccin de canal es ineficiente como una unidad de fusin primaria. Debidoa su diseo, este horno requiere una carga de metal fundido. El horno de canal se usageneralmente junto con otro tipo de horno de fusin tal como una unidad de impresin adoble cara. Se utiliza para suavizar las fluctuaciones en la qumica y la temperatura delfusor primaria y para sobrecalentar el hierro.

El control de la composicin de hierro gris es mayor en hornos de induccin que en cpulasdebido a que las prdidas por oxidacin se reducen durante la fusin y al eliminar el coquecomo combustible. La composicin de los materiales de carga metlicos est directamenterelacionada con la composicin final del hierro. Por lo tanto, se requieren pesos y anlisisde materiales de carga precisos para un buen control de la composicin. Materiales de cargatpicas incluyen chatarra de acero, chatarra de hierro fundido, los retornos de fundicin,ferrosilicio, y carbono. El arrabio se utiliza muy poco debido a su costo, aunque s ofreceventajas en trminos de pureza. El tipo de chatarra empleada depender de la economa. Laeliminacin de coque a partir de la carga tambin reduce el azufre absorbido por el hierro,por lo tanto, la resulfurizacin a menudo es deseable en hierro gris fundido elctricamente.

Inoculacin

La inoculacin se define como la adicin tarda de ciertas aleaciones de silicio al hierrofundido para producir cambios en la distribucin de grafito, mejoras en las propiedadesmecnicas, y una reduccin de la tendencia a chilling que no son explicables en base alcambio de la composicin con respecto a la del silicio (Ref. 17 ). El grafito, aadido solo oen combinacin con ferrosilicio, tambin producir estos cambios sin alterarsignificativamente la composicin qumica del hierro. Se reconoce que dos hierros con lamisma composicin aparente pueden tener dramticamente diferentes microestructuras ypropiedades si uno se inocula y el otro no. Una gran cantidad de investigacin se hadedicado a determinar el mecanismo detrs de la inoculacin (Ref. 18, 19). Aunque existenmuchas teoras, no se ha llegado a alguna conclusin con respecto a los posiblesmecanismos.

El propsito de un inoculante es aumentar el nmero de ncleos en el hierro fundido demodo que la solidificacin eutctica, especficamente la precipitacin de grafito, puedacomenzar con una cantidad mnima de subenfriamiento. Cuando se reduce al mnimo elsubenfriamiento, hay una reduccin correspondiente en la tendencia a formar carburoeutctico o fundicin blanca, que se conoce como chill.

En lugar de ello, se produce una microestructura ms uniforme que consiste en pequeoscopos de grafito tipo A. Estos cambios microestructurales pueden resultar en la mejora dela maquinabilidad y las propiedades mecnicas.


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Los hierros se inoculan por varias razones. La razn principal es controlar el enfriamientoen las zonas de piezas de fundicin que experimentan una rpida solidificacin, como enlas secciones delgadas, en las esquinas, y a lo largo de los bordes. La resistencia a latraccin se puede mejorar a travs de la inoculacin.

Esto es particularmente cierto para los hierros con carbono equivalente inferior, que seseleccionan para aplicaciones que requieren una resistencia a la traccin ms alta (Laresistencia a la traccin disminuye a medida que aumenta el carbono equivalente) (Ref. 20).Los hierros de bajo carbono equivalente, sin embargo, son tambin los grados que son mssusceptibles a la formacin de carburo. La inoculacin ayuda a superar este problemareduciendo al mnimo la tendencia a la formacin chill del hierro, permitiendo que loshierros de bajo carbono equivalente se viertan en secciones delgadas. Los hierros quepermanecen en los hornos de mantenimiento o en sistemas de colada durante un perodoprolongado de tiempo tambin son ms susceptibles a la formacin chill. Estasusceptibilidad se puede atribuir a la reduccin de los ncleos en la masa fundida que tienelugar durante la conservacin prolongada. Este efecto se acelera si la retencin se produce aaltas temperaturas. El mtodo de fusin influencia la formacin de fundicin blanca;hierros derretidos elctricamente en general son ms propensos a la formacin de carburoque los hierros derretidos en cpula.

Tipos de inoculantes. Grafito o aleaciones de base ferrosilicio se pueden utilizar parainocular hierro gris. El grafito que se utiliza debe ser altamente cristalino para dar el mejorefecto. Ejemplos de grafito altamente cristalino incluyen algunos grafitos natural y grafitochatarra de electrodo. Formas amorfas de carbono, tales como coque metalrgico, coque depetrleo, y el electrodo de chatarra de carbono, no son adecuados para la inoculacin. Elgrafito se utiliza muy poco por s mismo y por lo general se aade en combinacin con unferrosilicio triturado. Debido a los resultados inconsistentes que se han obtenido congrafito, se necesitan mtodos de adicin cuidadosa y temperaturas relativamente ms altaspara asegurar su solucin completa. Se ha encontrado que el grafito promueveextremadamente recuentos de clulas altamente eutcticas.

Aleaciones de ferrosilicio tambin se utilizan para tratar hierro gris. Se basan tpicamenteen 50 o 75% de ferrosilicio y actan como portadores para los elementos de inoculacin(reactivos), que incluyen aluminio, bario, calcio, cerio u otras tierras raras, de magnesio, deestroncio, de titanio, y circonio. El silicio en las aleaciones no causa reduccin significativade la tendencia chill a menos que sea aadido a un nivel que produzca un marcado aumentoen el carbono equivalente. Debido a que el ferrosilicio se disuelve fcilmente, lo que ayudaa distribuir los elementos reactivos de manera uniforme en toda la masa fundida. Esimportante sealar que los elementos reactivos, adems de reaccionar con el hierro,reaccionan fcilmente con el azufre y el oxgeno. Su adicin, por lo tanto, puede resultar enla formacin de escoria. La cantidad de escoria producida es directamente proporcional a lacantidad de elementos reactivos en la aleacin.

Las composiciones de algunos de los inoculantes de ferrosilicio disponiblescomercialmente se dan en la Tabla 5.

Tabla 5 Las composiciones de inoculantes de ferrosilicio para fundicin gris


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(A) Todas las composiciones contienen balanceo con hierro.(B) TRE, el total de tierras raras

Como se indica en el cuadro 5, es conveniente agrupar los inoculantes en cuatro categorasde desempeo: estndar, intermedio, de alta potencia, y estabilizadores. Las aleaciones decalcio bearing entran en la categora estndar. La mejora en la reduccin chill se obtienepor el emparejamiento de calcio con bario (Ref. 21). Este tipo de inoculante cae en el grupointermedio. Las aleaciones de estroncio o calcio adems del cerio son los ms fuertesreductores de chill. La figura 15 muestra el rendimiento obtenible con estos tres grupos deinoculantes. Tambin muestra que a medida que la cantidad de inoculante aadido aumenta,se da cuenta de una reduccin en chill hasta que se alcanza un punto de rendimiento

decreciente. No es correcto asumir que si un poco es bueno, mucho es mejor. Niveles deadicin por encima de las necesarias para controlar el chill y producir los cambiosmecnicos y microestructurales deseados resultan en mayores costos y pueden conducir auna variedad de problemas, incluyendo defectos de inclusin causados por la escoria delinoculante, picaduras de hidrgeno, y la contraccin.


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La figura15 Clasificacin general de inoculantes que muestran una reduccin chill en hierro concarbono equivalente de 4,0

El aluminio se encuentra en todos los inoculantes de ferrosilicio en cantidades que puedenvariar considerablemente. Esto es debido a que la eficacia de aluminio en el control de chill

en hierro gris es an objeto de debate. Debido a que el aluminio se ha relacionado con laformacin del agujero de alfiler de hidrgeno en piezas moldeadas producidas en moldes dearena verde, lo mejor es mantener su nivel ms bien bajo.

Inoculantes de estabilizacin tambin estn disponibles. Estn diseados para promover laperlita y, al mismo tiempo, proporcionar grafitizacin durante la solidificacin. Son tilesen la produccin de piezas de fundicin de alta resistencia con un mnimo de chill, yayudan a eliminar la ferrita en secciones gruesas (Ref. 22). Inoculantes de estabilizacinnormalmente emplean cromo como el estabilizador de perlita. Debido a que estasaleaciones pueden ser difciles de disolver, no se sugieren para la adicin del molde.

Evaluacin de inoculante. Una variedad de mtodos se puede emplear para evaluar laeficacia de un inoculante. Debido a que la reduccin de chill es a menudo una preocupacinprimordial, una forma de probar una aleacin es vertiendo barras chill o cuas. Laprofundidad del chill producido en el hierro tratado se puede comparar con la del hierrobase. Los detalles de las pruebas de chill se pueden encontrar en la norma ASTM A 367.

La inoculacin se sabe que aumenta el nmero de clulas eutcticas de hierro gris. Por lotanto, el recuento de clulas eutcticas se puede utilizar como una indicacin del estado denucleacin de la masa fundida. Las muestras para este tipo de evaluacin se pulennormalmente a travs de papel de grano 400 y luego se atacan con el reactivo de Stead(Ref. 23). Los resultados deben interpretarse con cautela porque no existe una relacin

estndar entre el recuento de clulas y la profundidad chill. Por ejemplo, los inoculantes deferrosilicio de estroncio-bear reducen el chill a niveles muy bajos sin aumentardrsticamente el nmero de clulas eutctica.

La evaluacin de las propiedades mecnicas de la microestructura proporciona informacinsobre el rendimiento de un inoculante. La presencia de grafito tipo A en lugar de carburos ygrafito subenfriado, junto con el logro de las propiedades de traccin deseadas, indica quela inoculacin ha tenido xito. Las curvas de enfriamiento tambin se pueden utilizar para


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evaluar el rendimiento del inoculante; la cantidad relativa de subenfriamiento se puedeutilizar como un indicador de eficacia.

Cada tcnica de evaluacin de la aleacin tiene ventajas y desventajas. Se sugiere el uso deuna combinacin adecuada de estas tcnicas para la obtencin de una evaluacin adecuada

de rendimiento del inoculante en un hierro base particular bajo un conjunto dado decondiciones de fundicin.

Mtodos de adicin. La inoculacin en cuchara es un mtodo comn de tratamiento dehierro gris. En este mtodo, se aade la aleacin a la corriente de metal a medida que fluyedesde la cuchara de transferencia a la cuchara de colada. Un pequeo taln de metal debepermitir que se acumule en el fondo de la cuchara antes de la adicin. Esto permite que elinoculante pueda ser mezclado y uniformemente distribuido en el hierro. No se recomiendala adicin de la aleacin a la parte inferior de una cuchara de vaco, ya que esto puedecausar la sinterizacin y una reduccin de la eficacia del inoculante. Tambin pueden surgirproblemas si la aleacin se aade a una cuchara de colada completa ya que el materialpuede quedar atrapado en la capa de escoria que se forma en la superficie.

La cantidad de inoculante necesario en este tratamiento normalmente vara entre 0,15 y0,4%, dependiendo de la potencia del inoculante. Si se utiliza solo grafito, el nivel deadicin es de aproximadamente 0,1 a 0,2%. Adiciones excesivas deben ser evitadas por lasrazones citadas anteriormente. Los inoculantes para este mtodo suelen tener un 6 o 12 mm( a pulgadas) de tamao mximo. El tamao mnimo no se ha encontrado sea tancrtico, aunque los finos se deben evitar porque pueden flotar en la superficie y perder sueficacia a travs de la oxidacin. Todas las adiciones se deben pesar o medir con precisin,y el uso de temperaturas del metal apropiado asegura una buena disolucin. Minimizar eltiempo entre el tratamiento y el vertido ayuda a evitar la prdida del efecto de lainoculacin, que se conoce como desvanecimiento.

El efecto mximo de un inoculante es inmediatamente despus de que la aleacin sedisuelve en el metal. Ms de la mitad del efecto de la inoculacin se puede perder, debidoal desvanecimiento, en los primeros 5 minutos despus de la adicin. Prdida completapuede ocurrir si el hierro se mantiene durante 15 a 30 min (Ref. 24). Aunque lacomposicin del hierro no cambia dramticamente, un aumento en la tendencia chill seproduce, acompaado con una disminucin en las propiedades mecnicas. Todos losinoculantes se desvanecen en algn grado.

Los mtodos que pueden ayudar a evitar o reducir al mnimo la prdida del efecto de lainoculacin han ido ganando aceptacin. Mediante la adicin de inoculante tardamente enel proceso de produccin, el efecto del tiempo se puede reducir en gran medida. Lainoculacin en corriente y en el molde son dos mtodos tardos del tratamiento con hierroque se cree que promueven una calidad ms uniforme de colada a colada.

La inoculacin en corriente requiere que la aleacin se aada a la corriente de metal quefluye desde la cuchara de colada en el molde.


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La figura16 Esquema que muestra el principio de la inoculacin en corriente. Fuente: Ref. 25

Uno de los dispositivos electroneumticos utilizados para detectar cuando el flujo de metalse inicia y se detiene se muestra esquemticamente en la figura16.

Este dispositivo asegura de que la aleacin se dispensa de una manera tal que el ltimometal que entra en el molde se trata de forma similar al primero que entr. Los mismosinoculantes utilizados para tratar el hierro en la cuchara de colada se pueden utilizar para lainoculacin en corriente, pero menos de una distincin en rendimiento se ha observadoentre ellos. No se recomienda grafito, debido a sus relativamente pobres caractersticas dedisolucin. Un tamao uniforme y consistente parece ser un factor muy importante en lainoculacin en corriente. Un tamao demasiado grande puede causar la obstruccin de losequipos y una disolucin incompleta. Se recomienda un tamao mximo de partcula de 8 a30 de malla y un tamao mnimo de alrededor de 100 mallas. Niveles de adicin varan0,10-0,15%.

La inoculacin en el molde implica la colocacin de la aleacin en el molde, tal como enlas cuencas de vertido, en la base del canal de colada o en cmaras adecuadas en el sistemade canal (Ref. 26).

Inoculantes para este mtodo pueden ser material triturado, en polvo, en pellets, en grnuloso bloques prefabricados. Al igual que en la inoculacin por flujo, la velocidad de disolucinde la aleacin es un factor importante. Aleacin de material triturado para esta aplicacin estpicamente 20 a 70 de malla de tamao, y la velocidad de adicin puede ser tan pequeacomo 0,05%. Las aleaciones prefabricados y unidos estn diseadas para disolver a unavelocidad controlada a lo largo de todo el ciclo de colada. (Ref. 27). La inoculacin en

molde se utiliza a menudo como un suplemento a la inoculacin en la cuchara de colada.

Hay varias ventajas de la inoculacin tarda sobre la inoculacin en la cuchara. Como sedijo anteriormente, el desvanecimiento es virtualmente eliminado, y porque las piezas defundicin se inoculan en la misma medida, hay una mayor coherencia en la estructura de lafundicin de la colada. Tambin se ha observado que la inoculacin tarda es ms xitosaen la prevencin de la formacin de carburo en secciones delgadas, eliminando de estemodo el tratamiento trmico.


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Aleacin

La aleacin se utiliza a un grado bastante grande en la produccin de hierro gris. Hierrosaleados se discuten en el artculo de "Fundicin blanca de alta aleacin" en este volumen.Sin embargo, es importante reconocer que la menor aleacin de hierro gris se lleva a cabo a

niveles por debajo de la considerada en la categora de los hierros aleados.En la mayora de los casos, la aleacin menor de hierro gris se hace para aumentar laresistencia y promover la perlita. Los elementos menores normalmente utilizados enaleacin de hierro gris son cromo, cobre, nquel, molibdeno, y estao. Recientemente, losefectos beneficiosos del vanadio como un elemento de aleacin tambin se han demostrado(Ref. 28).

Cromo. Pequeas adiciones de cromo (hasta aproximadamente 0,5 a 0,75%) producenaumentos significativos en la resistencia del hierro gris. El cromo tambin promueve unamatriz perltica y un aumento asociado en la dureza. El cromo es un promotor de carburo, y

en piezas de fundicin de seccin ligeras o en razones de adicin altas, puede causar laformacin de chill. El cromo se aade normalmente como una aleacin de ferrocromo. Sedebe tener cuidado para asegurar que la aleacin se haya disuelto completamente.

El cobre tambin aumenta la resistencia a la traccin del hierro gris mediante la promocinde una matriz perltica. Su efecto es ms pronunciado a niveles de adicin bajos de 0,25% a0,5%. A razones de adicin superiores, sus efectos no son tan dramticos. El cobre tiene unefecto de grafitacin suave y por lo tanto no promueve carburos en secciones ligeras. Elcobre se debe agregar como material de alta pureza para evitar la introduccin de elementosresiduales como el plomo.

Nquel.

Adiciones de hasta 2% causan slo un aumento menor en la resistencia a la traccindel hierro gris. El nquel no promueve la formacin de carburos y de hecho tiene un efectode grafitacin menor. El nquel se aade normalmente como material elemental, y no hansido reportados problemas con la disolucin.

Molibdeno. Pequeas adiciones de molibdeno en el rango de 0,25 a 0,75% tienen unimpacto significativo en la resistencia del hierro gris. Esto parece ser el resultado de tanto elfortalecimiento de la matriz y el refinamiento de las escamas de grafito (Ref. 29). Elmolibdeno no promueve carburos. Normalmente se aade como una aleacin deferromolibdeno.

Estao. En el intervalo de 0,025 a 0,1% es un fuerte estabilizador de la perlita. No pareceaumentar la resistencia de un hierro gris totalmente perltico. Puede, sin embargo, dar unpequeo aumento de la resistencia en los hierros que de otro modo contienen ferrita libre.

Adiciones por encima de los niveles requeridos para la estabilizacin de la perlita se debenevitar para prevenir la fragilidad. El estao se aade normalmente como estaocomercialmente puro. Se debe tener cuidado para evitar el material contaminado conelementos como el antimonio, bismuto y plomo.


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El vanadio se ha sugerido recientemente como un elemento de aleacin menor de lafundicin gris (Ref. 28). Como se muestra en la figura 17, el vanadio tiene un efectosignificativo en la dureza y la resistencia del hierro gris. Se inform de que los aumentos deresistencia se mantuvieron incluso despus del recocido, lo que es una ventaja significativa.Vanadio a niveles ms altos y en las secciones ligeras puede promover la formacin de

carburos, se sugieren por lo tanto buenas prcticas de inoculacin. La aleacin se puedelograr mediante el uso de ferrovanadio.

La figura 17 Efectos de los elementos de aleacin sobre las propiedades de fundicin gris.Fuente: Ref. 28

Vertido

Temperatura del metal, la limpieza, y la tcnica adecuada son las variables esenciales quedeben ser controladas cuando se vierte el hierro gris. La eliminacin de la escoria y laespuma de la superficie del hierro lquido reducen la posibilidad de los defectos deinclusin. Una variedad de tcnicas de vertido de metal se emplean en la fundicin dehierro gris. Cada tcnica debe permitir al operador mantener un flujo constante de metalsuficiente para mantener el sistema de llenado lleno de metal hasta que el vertido se hacompletado.

El hierro fundido debe poseer suficiente sobrecalentamiento para permitir que la cavidad sellene completamente con el hierro sin la formacin de defectos relacionados con la

temperatura. Sobrecalentamiento es la diferencia entre la temperatura del hierro fundido yla temperatura de liquidus. La fluidez del hierro es directamente proporcional a la cantidadde sobrecalentamiento contenido en el hierro.

Por lo tanto, las secciones ms delgadas que requieren una mayor fluidez para la fundicinde xito tambin requieren ms sobrecalentamiento que las secciones ms gruesas. Elliquidus de hierro gris se determina por la composicin del hierro. Para hierroshipoeutcticos, el de liquidus es inversamente proporcional al carbono equivalente del


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hierro. Por lo tanto, los hierros de mayor resistencia con carbn equivalente ms bajorequieren temperaturas de colada ms altas para mantener el nivel necesario desobrecalentamiento. Tabla 6 enumera las temperaturas de vertido tpicas requeridas para lasdistintas clases de hierro gris.

Tabla 6 Temperaturas de vertido tpicos para algunas clases de hierro gris

Hierro que contiene recalentamiento insuficiente puede provocar cavidades parcialmentellenas, misruns, porosidades y chill. Un exceso de recalentamiento puede conducir a laretraccin, la penetracin de metal, las vetas y la formacin de costras. La cantidad desobrecalentamiento requerido variar para fundiciones individuales, y se requerir un pocode experimentacin para determinar la temperatura de vertido ptimo para cada colada.

Moldeo

Moldes. La funcin principal del material de moldeo es para producir una cavidaddimensionalmente estable que resista las tensiones trmicas y mecnicas ejercidas por elhierro lquido. Hierro gris se puede producir mediante el uso de la mayora de los procesosde moldeo, que estn cubiertos en detalle en la Seccin de "Moldeo y procesos defundicin" en este volumen.

Moldeo en arena verde es la tcnica ms utilizada para la produccin de piezas de fundicinde hierro gris (ver el artculo "arena de moldeo" en este volumen). Hierro gris se expandeligeramente debido a la formacin de grafito durante la solidificacin eutctica.

Esto es ms pronunciado en hierros con mayor carbn equivalente, en el que se precipitams grafito. Esta expansin tensiona al material de moldeo, causando una ampliacin de lacavidad del molde si la arena se compacta insuficientemente. Esto puede dar lugar adefectos de la contraccin. Por lo tanto, es importante cuando se producen piezas defundicin de hierro gris que la dureza del molde sea la suficiente para soportar la expansineutctica del hierro gris.


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Si la precisin dimensional y los requisitos del acabado superficial de la pieza fundidaexceden los lmites del proceso de moldeo de arena verde, otros procesos, como el moldeoen cscara, moldeo por unin qumica y el molde permanente, se pueden utilizar. Cadaproceso crea una superficie de molde rgido que resiste la expansin eutctica del hierrogris, mejorando as la precisin dimensional. Adems, un excelente acabado superficial se

puede conseguir con cada uno de estos procesos. Moldes de cscara se producen a partir deuna mezcla de arena y una resina termoendurecible. Moldes qumicamente unidos seproducen a partir de una mezcla de arena y un aglutinante de resina que requiere uncatalizador para el curado a temperatura ambiente. Moldes permanentes se producen amenudo a partir de hierro gris y generalmente requieren alguna forma de recubrimientopara ayudar en el desmoldeo de la pieza colada.

Ncleos. El propsito de un ncleo es crear una cavidad dimensionalmente estable dentrode la colada durante la solidificacin. Todos los procesos de fabricacin de machosdisponibles comercialmente se pueden utilizar en la produccin de piezas de fundicin dehierro gris. Estos procesos incluyen las arenas alquitranadas, cscara, caja caliente, dixidode carbono, y la unin qumica. El tipo de ncleo no tiene que estar relacionado con el tipode material de moldeo. La seleccin del material del ncleo depende del tamao del ncleo,la complejidad, precisin dimensional, y el costo.Las salidas y el sistema de alimentacin sirven al mismo propsito en la fundicin dehierro gris como en los otros sistemas de colada de metal. Estas funciones incluyen:

Llenar la cavidad del molde sin turbulencia Prevencin de escorias, espumas o material del molde al llenar el molde Prevencin de la introduccin de gases del aire o del molde en la corriente de metal La produccin de caractersticas de transferencia de calor que ayudarn en lasolidificacin progresiva de la pieza colada Activacin de la produccin de la pieza colada con el uso de una cantidad mnima demetal

Las salidas y las prcticas de alimentacin de la fundicin gris son menos complicadas quepara otros materiales. La precipitacin de grafito durante la solidificacin eutctica provocauna expansin, que compensa algunas de las contracciones que por lo general seexperimentan durante la solidificacin de un metal. De hecho, un hierro de clase 20precipita suficiente grafito para crear una expansin lo suficiente de manera que no serequiera alimentacin. Cuando el carbono equivalente del hierro disminuye, menos grafitose precipita y los requisitos de alimentacin aumentan. Un de hierro clase 50 requiere dealimentacin volumtrica de aproximadamente 4% para compensar la contraccin delhierro.

Control dimensional. La produccin de piezas de fundicin de hierro gris con buenaestabilidad dimensional requiere que los fundidores produzcan un molde lo suficientementergido para soportar la expansin eutctica y que el patrn se pueda construir de una maneratal como para compensar la contraccin del metal durante el enfriamiento. La contraccindepende de la cantidad de grafito precipitado durante la solidificacin eutctica. Hierroscon un mayor carbono equivalente precipitarn ms grafito, lo que resulta en una menorcontraccin. Valores de contraccin tpicos de los diversos grados de hierro son:


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DefectosDiscontinuidades en la matriz en piezas coladas de fundicin gris causadas por cavidades einclusiones aumentan la tasa de desechos y disminuyen la productividad de una fundicin.En muchos casos, estos defectos son subsuperficiales y se revelan slo despus demecanizado en la empresa o en las instalaciones del cliente. Se requiere la identificacinexacta de defectos antes de poder tomar medidas para eliminar o minimizar estosproblemas. La ubicacin, la forma y el tamao de un defecto proporcionan valiosas pistas

sobre su origen. Estos tres factores se tendrn en cuenta en la siguiente revisin de losdefectos comunes que se encuentran en hierro gris.

La figura18 Defectos de contraccin tpicaen fundicin gris. Pulida 50 La figura 19 Vistas SEM de rechupes en

hierro gris en secciones pesadas. 20

Cavidades de contraccinpueden aparecer como vacos de forma irregular, ya sea aisladoso interconectados, como se muestra en la figura 18. Cuando se examina a bajo aumento, seencuentran a menudo que contienen las dendritas que poseen una forma de rbol (Fig. 19).Perfiles pesados y puntos calientes, como las zonas adyacentes a los bebederos yalimentadores o regiones que experimentan cambios en el tamao de la seccin, son mssusceptibles a este tipo de defecto. La contraccin, porque es subsuperficial, por lo generalse revela durante el mecanizado o la prueba de compresin. Los factores que promueven laformacin de la contraccin incluyen la falta de rigidez del molde, la composicin

inadecuada del metal, temperatura de vertido correcta, y un alto grado de nucleacin. Estosfactores pueden funcionar de forma independiente o en combinacin.

Casi todos los lquidos se contraen durante el enfriamiento. En el hierro gris, sin embargo,la expansin se produce durante la formacin de la mezcla eutctica de austenita-grafito.Esta expansin aumenta en los hierros con alta nucleacin, un estado que se produce por lainoculacin. Los moldes, especialmente los moldes de arena en verde, que no soncomprimidos a dureza suficiente son incapaces de contener esta expansin. Esto conduce a


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la ampliacin de la cavidad del molde. Rechupes por contraccin se forman si el suministrode metal no es suficiente para dar cabida a esta ampliacin. Moldes suaves puedendetectarse mediante la medicin de las dimensiones y peso de la pieza colada. Piezasfundidas de gran tamao o con sobrepeso exhiben un problema potencial. Este problema sepuede minimizar evitando los niveles de humedad excesivos, mediante el mantenimiento de

niveles adecuados de material carbonceo, y utilizando slo la cantidad de inoculante quesea necesaria para controlar el enfriamiento y lograr las propiedades deseadas.

Composicin de hierro puede tener un efecto pronunciado sobre la contraccin. Contenidosmuy bajos de carbono en ocasiones se han relacionado con coladas poco slidas. Losniveles de fsforo en el hierro tan bajos como 0.02% pueden causar porosidad fina en losbordes de clulas eutcticas y puntos calientes (Ref. 3). El ajuste del nivel de fsforo sueleser una solucin de trade-off entre evitar la contraccin y la prevencin de los defectos definning y de penetracin. Se sugiere un nivel mximo de 0,3% en el caso de seccionespesadas de piezas de fundicin donde los tiempos de solidificacin lentos dan lugar a lasegregacin (Ref. 30). Los niveles de fsforo en coladas que deben pasar las pruebas decompresin no deben exceder de 0,10%.

Temperaturas excesivamente altas de colada tambin pueden aumentar la contraccin delmetal cuando se enfra a la temperatura de solidificacin, fomentando as la contraccin.Adems, porque los moldes de arena verde no son dimensionalmente estables bajo el calor,las temperaturas ms altas aumentan las posibilidades de movimiento de la pared delmolde. Existe un compromiso entre demasiado alta y demasiado baja la temperatura devertido. Si se utiliza demasiado baja una temperatura de vertido, pueden producirsedefectos de tipo sopladuras, puntos fros, y carburos. Por lo tanto, la experiencia es la mejormanera de determinar la temperatura de vertido ptimo para una pieza de fundicin enparticular.

Los poros a que se refiere este apartado son los que se encuentran por debajo de lasuperficie del frente de una colada o cuando un corazn forma una ceiling en el molde. Porlo general, se revelan por mecanizado o por granallado pesado. Estos poros pueden seresfricas o de forma irregular y se ha informado que tienen un revestimiento de color gris oazul-gris. Muchos de los agujeros contienen escoria, y algunas cavidades contienen cuentasde metal exudados. Inclusiones de sulfuro de manganeso se encuentran generalmenteagrupados en la matriz de hierro cerca del defecto y son a veces presentes en la propiaescoria. Un ejemplo se muestra en la figura 20.


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La figura20 Espirculo defecto asociado con la segregacin de sulfuro de manganeso. 100

El metal fro o puntos fros resultan de temperaturas bajas de vertido que es la causaprincipal de sopladuras. Esto explica por qu los ltimos colados que se vierten desde unacuchara tienen ms probabilidades de estar sin solidez. Niveles de azufre y manganesoexcesivos, sin embargo, agravan el problema. La Figura 21 muestra los niveles de azufre yde manganeso en el que se producen sonido y piezas de fundicin defectuosos. Cuantomayores sean los niveles de azufre y de manganeso, mayor es la temperatura de vertidodebe ser evitar sopladuras.

La figura21 La aparicin de defectos espirculo en coladas de fundicin gris en funcin delcontenido de azufre y manganeso. Temperatura de colada se mantuv constante a 1280 C(2335 F). Las coladas defectuosas tenan porosidades asociadas con inclusiones de sulfuro demanganeso. Fuente: Ref. 31

La siguiente secuencia de acontecimientos conduce a la formacin del poro. Cuando latemperatura del metal fundido cae, se forman sulfuros de manganeso y se separan de lamasa fundida. Ellos flotan en la superficie, donde se mezclan con la escoria de la cuchara(hierro y silicato de manganeso), creando una escoria de mayor fluidez. Esta escoria entra


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en la cavidad del molde, reacciona con el grafito precipitndolo durante la reaccineutctica, y resulta en la evolucin de monxido de carbono y la formacin de sopladuras.

La temperatura adecuada del metal, los niveles de manganeso y azufre adecuados, cucharaslimpias, y las buenas prcticas de desescoriado ayudan a minimizar los poros.

Agujeros de alfiler de hidrgeno (Fig. 22) son pequeas cavidades, esfricas, o en formade pera de unos 3 mm (pulgadas) o menos de dimetro. Una pelcula de grafito continuose encuentra a menudo en estos agujeros, aunque una capa de xido de hierro puede estarpresente si las piezas de fundicin son tratadas trmicamente. Inclusiones no metlicas noestn presentes en los huecos, pero en algunos se ha encontrado que contienen una pequeagota de metal.

Los poros son tpicamente subsuperficiales por naturaleza y por lo tanto no son visibleshasta despus de un granallado pesado o ms probablemente despus del mecanizado.Secciones delgadas son ms susceptibles a este defecto que secciones gruesas, comoaquellas zonas alejadas de los bebederos.

Una serie de factores de molde y de metal se han asociado con la formacin del agujero dealfiler de hidrgeno. Es probable que estos factores funcionen en combinacin en lugar deindividualmente. Se ha encontrado niveles de aluminio en el hierro tan bajos como 0,005%para fomentar la disociacin del vapor de agua que surge del molde, aumentando as elcontenido de hidrgeno del metal. Fuentes de aluminio incluyen ferroaleaciones utilizadasen el tratamiento del hierro y la chatarra. El exceso de humedad en el molde y la falta deincorporacin de activos carbonosos tambin estn a favor de la formacin de poros. Eltamao de grano de la arena y la permeabilidad del molde no se ha encontrado que afectenpara este problema. Horno de cuchara de colada y refractarios hmedos, los corredoreslargos y downsprues que aumentan el tiempo en que el metal est en contacto con el molde,y el vertido turbulento son otros factores que pueden contribuir a este defecto.

Defectos de nitrgeno. Los niveles de nitrgeno de 20 a 80 ppm son normales en hierrogris. A niveles ms altos, el hierro se vuelve menos capaz de contener el nitrgeno, lo queresulta en su liberacin durante la solidificacin. Esto provoca la formacin de huecos ocoqueras (Fig. 23) interdendrticas. Estos huecos tienden a ser claros y brillantes y enocasiones contienen una capa de grafito. Una pelcula de xido, sin embargo, puede estarpresente en coladas que se han tratado trmicamente. Grafito compactado se encuentra aveces en la matriz a lo largo del permetro del defecto. La cantidad de nitrgeno necesariapara producir piezas de fundicin poco slidas vara. Secciones ligeras no pueden verseafectados hasta que los niveles de nitrgeno llegan a 130 ppm, mientras que las seccionespesadas pueden experimentar problemas a niveles de slo 80 ppm. Hierros procesados conuna carga que tenga una alta proporcin de chatarra de acero (50% o ms) son muysusceptibles a este problema (Ref. 32). Materiales de recarburacin que contienencompuestos nitrogenados, moldes, y ncleos producidos con resinas de alto contenido denitrgeno, as como recubrimientos de molde y el ncleo que contienen componentescarbonosos y de resina, todos actan como fuentes de nitrgeno (Ref. 33). El efecto delnitrgeno puede ser neutralizado con la adicin de 0,02 a 0,03% de Ti. Los nivelesaceptables de nitrgeno pueden llegar a ser peligroso si el hidrgeno est presente tambin.


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La figura22 Vistas SEM de picaduras de hidrgeno en hierro gris. 20

La figura 23 Defectos superficiales (a) y debajo de la superficie (b) de nitrgeno en el hierrogris con contenido de nitrgeno de 135 ppm. Ambos 100

Formas de grafito anormales se han encontrado para dar cuenta de una alta proporcin depiezas fundidas agrietadas. En casos extremos, las que han dado como resultado, una fallacatastrfica prematura. El plomo es uno de los agentes que se ha encontrado ser

responsable de estas disminuciones en las propiedades fsicas y mecnicas del hierrofundido que estn asociados con un cambio en la morfologa del grafito.Microestructuralmente, la contaminacin por plomo a menudo resulta en finas, agujas degrafito puntiagudas en los copos de grafito normales (Fig. 24). Tambin se han observadoestructuras de grafito degenerados que van desde una estructura de Widmansttten-como enla seccin pesada de piezas de fundicin para un tipo de malla con copos interconectadoslargos en secciones ms delgadas (Ref. 35). Estas estructuras son a menudo difciles deobservar a bajo aumento y se pueden detectar slo cuando se examina con grandesaumentos.


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La figura 24 Grafito de punta en hierro gris como resultado de la contaminacin por plomo.Atacado usando picral al 4%. 250 . Fuente: Ref. 34

Coladas de seccin pesada son particularmente vulnerables a la influencia del plomo debidoa que sus velocidades de enfriamiento lentos favorecen la segregacin de plomo. Un nivelde plomo residual tan bajo como 0,004% en una seccin de fundicin pesada puede resultar

en una falla. La presencia de otros elementos, tales como el hidrgeno y el aluminio, que seha encontrado aumentan la cantidad de hidrgeno en el hierro, se suman al efecto. Esta es larazn por la que piezas moldeadas producidas en moldes de arena verde son mssusceptibles a este tipo de defecto.

No hay agente neutralizante conocido para el plomo en hierro gris. Aunque se experimentaalguna prdida de plomo durante la fusin y la colada, lo mejor es mantener el plomo fueradel hierro. Esto se puede hacer al estar conscientes de las fuentes de contaminacin porplomo, incluyendo la chatarra de acero con plomo, componentes fuertemente pintadas,aceros vtreos esmaltados y aleaciones de cobre.Las referencias citadas en esta seccin

3. "La importancia de controlar los contenidos bajos en fsforo en hierro gris," Peridico degran formato 162, BCIRA, 197730. JM Greenhill, Diagnstico de Defectos en hierro gris, fundicin Comercio J.,noviembre 1971, p 56-6031. " Sopladuras Subsuperficiales asociadas con la segregacin de Inclusiones de sulfuro demanganeso ", Peridico de gran formato 6, BCIRA, 197532. JM Greenhill y NM Reynolds, Defectos de nitrgeno en Hierros Colados, FoundryComercio J.,16 de julio 1981, p 111-12233. "El nitrgeno en hierro fundido," Peridico de gran formato de 41 aos, BCIRA, 197534. "La contaminacin de plomo en hierro fundido", Peridico de gran formato de 50 **,BCIRA, 1986

35. CE Bates y JF Wallace, Elementos Traza en Hierro Gris, Trans. AFS,Vol. 74, 1966, p513

Tratamiento trmico

Aunque la mayora de piezas de fundicin de hierro gris se utilizan en la condicin decolada, el tratamiento trmico puede ser empleado para cumplir con los requisitosespecficos de colada. La informacin detallada sobre el tratamiento trmico de hierro grisest disponible en el artculo "Tratamiento trmico de Hierros Grises" en TratamientoTrmico, Volumen 4 delManual de ASM.

Las tres formas ms comunes de tratamiento trmico de la fundicin gris son de recocido,para aliviar el estrs y la normalizacin.

Otros tratamientos trmicos convencionales, tales como temple y revenido, austempering, ymartemple, se usan en limitadas ocasiones. Hierros grises tambin pueden ser endurecidos ala llama o por induccin.


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Al considerar el tratamiento trmico de piezas de fundicin de hierro gris, es importantereconocer la complejidad de la relacin entre los fenmenos metalrgicos y trmicos. Entrminos de tratamiento trmico, la fundicin gris en esencia puede ser considerado unmaterial compuesto formado por grafito libre (escamas) y acero eutectoide (matriz). Lasituacin puede complicarse an ms por la variedad de secciones, y por lo tanto las

respuestas trmicas, que se encuentran en la mayora de las piezas de fundicin. Por estarazn, a menudo es necesario desarrollar experimentalmente el proceso preciso para piezasde fundicin dadas si se desean resultados ptimos.

El recocido. Tres procesos de recocido principales se utilizan para la fundicin gris. Tienenun propsito en comn y la metalurgia que se emplea principalmente para mejorar lamaquinabilidad. Por lo tanto, los tres tratamientos implican la produccin de una matrizferrtica. La figura 1 muestra una seccin del diagrama de silicio-hierro-carbono a 2,5% deSi. Como se puede ver, la reaccin eutectoide consiste en la transformacin de austenita enferrita ms grafito. Los procesos de recocido estn diseados para tomar ventaja de estareaccin.

El primero de estos procesos que normalmente se llama un ferritizado o recocidosubcrtico. Consiste en calentar la colada a una temperatura de 700-760 C (1290-1400 F),o justo por debajo de la temperatura de transformacin eutectoide. A esta temperatura, laperlita se descompone en una matriz ferrtica. Los tiempos mantenimiento a estatemperatura vara en cierto grado con el tamao de la seccin y la composicin qumica delhierro. Como regla general, el tiempo a la temperatura debe ser de aproximadamente 1 hpor cada 25 mm (1 pulg) de espesor de la fundicin. Tiempos ms largos pueden sernecesarios si los elementos de aleacin estn presentes. Las tasas de enfriamiento despusde ferritization no son crticas, pero no deben exceder de 100 C/h (180 F/h) para evitar lainduccin de tensiones. La reduccin en la dureza y la maquinabilidad mejorada asociadacon este proceso tambin resultan en una reduccin de la resistencia.

Recocido medio o completo se utiliza en situaciones en las que, a causa de la aleacin o lapresencia de pequeas cantidades de chill, el recocido subcrtico no convierte al hierro enuna matriz ferrtica. En este proceso, el hierro se calienta a una temperatura de 800 a 900C (1470-1650 F), que est por encima de la temperatura de transformacin eutectoide.Despus de la inmersin durante aproximadamente 1 h por cada 25 mm (1 pulgada) deseccin transversal, el hierro es enfriado a travs de la regin de transformacin eutectoidepara promover la formacin lenta de ferrita. Si el hierro contiene elementos de aleacinmenores, tales como cromo, manganeso, cobre, nquel, o de estao, tiempos depermanencia ms altos o ms alta temperatura de permanencia puede ser necesaria.Despus de la transformacin, las piezas moldeadas pueden ser enfriadas por aire aaproximadamente 675 C (1245 F).

La tercera forma de recocido se designa como un recocido de grafitacin. Se utiliza enhierro gris slo cuando se requiere la eliminacin masiva de los carburos de hierro o chill.Consiste en calentar la colada a una temperatura de aproximadamente 900 a 925 C (1650-1700 F). El Tiempo a esa temperatura debe reducirse al mnimo basado en la evaluacinmicroestructural para evitar escama a menos que se emplea un horno de atmsferacontrolada. Despus de la descomposicin de carburos, la velocidad de enfriamiento


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empleada depende de la microestructura deseada. Si se desea una estructura ferrticaaltamente mecanizable, el enfriamiento del horno se recomienda con enfriamiento muylento a travs de la transformacin eutectoide. Si se desea una matriz perltica ms fuerte, elenfriamiento por aire se puede utilizar. La experimentacin puede ser necesaria paracompensar los efectos de la geometra y la composicin de la fundicin de hierro.

La normalizacin. En principio, la normalizacin del hierro gris es un procesorelativamente sencillo. Las piezas de fundicin se calientan a una temperatura de 875 a 900C (1605-1650 F) y se mantienen durante aproximadamente 1 h por 25 mm (1 pulg) deseccin transversal. Esto debe resultar en la transformacin de la matriz a austenita. Lascoladas son luego enfriadas por aire para formar una matriz perltica.

Como era de esperarse, la presencia de elementos de aleacin y las variaciones en lageometra de la fundicin complican esta prctica y pueden alterar los resultados finales.Puede ser necesario ajustar los tiempos de mantenimiento y/o ciclos de enfriamiento paraobtener los resultados deseados. Por ejemplo, el enfriamiento en aire forzado puede serdeseable para evitar la formacin de ferrita en secciones pesadas. En el caso de piezas dealeaciones fundidas, puede ser posible producir pequeos aumentos en la resistencia y ladureza mediante la normalizacin.

Alivio de estrs tambin se utiliza en piezas de fundicin de hierro gris. El propsito deesta prctica es para reducir las tensiones inducidas en la pieza colada durante lasolidificacin. En esencia, el proceso consiste en el calentamiento de la colada a unatemperatura comprendida entre 500 y 650 C (930 y 1200 F), dependiendo de lacomposicin. La colada se realizar en este rango de temperatura de 2 a 8 horas, despus seenfra al aire.

Propiedades y aplicacionesCaractersticas de la morfologa del grafito y de la matriz afectan a las propiedades fsicas ymecnicas del hierro gris. Escamas grandes, comunes en los hierros con alto carbonoequivalente y coladas de seccin pesada, imparten propiedades deseables, como la buenacapacidad de amortiguacin, estabilidad dimensional, resistencia al choque trmico, y lafacilidad de mecanizado. Mayor resistencia a la traccin y valor del mdulo de elasticidad,resistencia al agrietamiento, y superficies maquinadas lisas se pueden obtener con hierrosque contienen pequeas escamas, las cuales son promovidas por carbn equivalente bajo yvelocidades de enfriamiento ms rpidas. El refinamiento de la perlita y la estabilizacin deestructuras aciculares resultan en un incremento de la dureza, resistencia a la traccin, yresistencia al desgaste. Adems de la composicin (particularmente de carbonoequivalente) y tamao de la seccin, factores tales como adiciones de aleacin, tratamientotrmico, propiedades trmicas del molde, y la geometra de colada afectan a lamicroestructura y por lo tanto a las propiedades del hierro.

Propiedades Mecnicas


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Las propiedades de traccin de hierro fundido gris (Tabla 7) incluyen resistencia a latraccin, lmite de elasticidad, ductilidad, y mdulo de elasticidad. La resistencia mnima ala traccin se utiliza para clasificar al gris hierro en ASTM A 48. Resistencia a la traccines inversamente proporcional al carbono equivalente.

Tabla 7 Propiedades mecnicas de colada de barras estndar de prueba de hierro gris

El punto de cedencia puede determinarse a partir del diagrama de tensin-deformacinmediante el uso del mtodo de compensacin ya sea al 0,1% o 0,2%.

Valores de alargamiento del hierro gris son muy bajos, tpicamente del orden deaproximadamente 0,6%. El mdulo de elasticidad del hierro gris no es un solo nmero,porque el hierro gris no posee un rango elstico en el que el estrs y la tensin exhiben unarelacin de lnea recta. Los valores de mdulo de tensin se estiman, ya sea el mdulotangente o el mtodo de mdulo secante. Un alto mdulo de elasticidad se desea paraaplicaciones que requieren rigidez y valores mnimos de deflexin. Se prefiere un bajomdulo de elasticidad para la amortiguacin de vibraciones y choque trmico enaplicaciones severas.

Propiedades transversales. Resistencia a la flexin y la flexin se determin con elensayo de flexin transversal. Los resultados de este mtodo de ensayo se utilizan por lo

general en combinacin con el ensayo de traccin. Las muestras requieren pocapreparacin, y el mtodo utilizado en la carga puede ser ms caracterstico de lo que laparte experimentar en servicio. Valores de los mdulos de ruptura pueden calcularse apartir de la carga de rotura transversal utilizando la frmula de haz estndar. Cargas derotura transversales se pueden encontrar en la Tabla 7.

Las pruebas de dureza se realizan rutinariamente, ya que son mtodos sencillos y rpidospara determinar las caractersticas de resistencia aproximada y mecanizacin de una pieza


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de fundicin de hierro gris. La prueba de dureza Brinell se utiliza ms a menudo en elhierro gris debido a que el dimetro ms grande del penetrador proporciona un promedio delos diversos microelementos presentes en el hierro.

La figura 25 muestra un ejemplo de la relacin entre la dureza y resistencia a la traccin de

hierro gris para una fundicin y proceso en particular.

La figura25 Relacin entre la resistencia a la traccin y la dureza para una serie de hierrosinoculados a partir de una sola fundicin

Compresin. El hierro fundido gris es aproximadamente tres a cuatro veces ms fuerte encompresin que en traccin (Ref. 36). Esto se debe a las caractersticas de que los copos degrafito tienen menos influencia en la compresin que en traccin. La estructura de lamatriz es el factor determinante en la resistencia a la compresin, un considerable aumentode la resistencia est asociado con un cambio de ferrita a perlita en martensita. Valores deresistencia a la compresin para un nmero de clases de hierro gris se dan en la Tabla 7.

Propiedades de torsin. Alta resistencia al esfuerzo de cizallamiento, que se requiere enaplicaciones tales como cigeales, rboles de levas y ejes, se puede obtener con el hierro

gris (Tabla 7).

La resistencia al cizallamiento se ha informado en un rango de 1,1 a 1,5 veces la resistenciaa la traccin (Ref. 36). Ensayos de torsin pueden llevarse a cabo en piezas de ensayo opartes de tamao completo.

La capacidad de amortiguamiento. La naturaleza interconectada de los copos de grafito enla fundicin gris imparte una excelente capacidad de amortiguacin y hace al hierro grisideal para aplicaciones como bases de mquinas y soportes, bloques de cilindros, y loscomponentes de frenos. La capacidad de amortiguacin se refiere a la capacidad de unmaterial para sofocar las vibraciones y para disipar la energa en forma de calor.

Capacidades de amortiguacin relativos de un nmero de materiales ferrosos y de aluminiose indican a continuacin, donde se toma la capacidad de amortiguacin como el logaritmonatural de la relacin de amplitudes sucesivas:


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Fuente: Ref. 36

Aumento de la capacidad de amortiguacin con el carbono equivalente y el aumento delta

hierro gris 2013 maln

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