40-Fundiciones
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CAPITULO 40
FUNDICIONES
1. Generalidades
Al estudiar las aleaciones hierro-carbono definimos téoricamentecomo fundición todaaleación hierro-carbono que contiene más del 1,76 070 de carbono. Sin embargo, en la práctica, el contenido de carbono de las fundiciones oscila entre el 2,5 yel 4,5 %. Ademásdel carbono, suelen contener las fundiciones otros elementos, como el sicilio, manganeso,azufre y fósforo, en las proporciones siguientes:
Carbono, 2,5 a 4,5 %Silicio, 0,5 a 4%Manganeso, 0,3 a 2070Azufre, °a 0,20%Fósforo, °a 1,5 %
Hay también fundiciones especiales qué tienen hasta un 15% de silicio y elementosde aleación como el niquel,cromo, molibdeno,.cobre,etc.
La fundición se utiliza siempre para la obtención de piezas por moldeo, en moldesde arena o metálicos, y aunque pueden colarse directamente las piezas desde el hornoalto, ya que el arrabio obtenido en ellos es fundición, casi siempre se utiliza fundiciónde segunda fusión, preparada: en crisoles, para pequeñas coladas; en bomos eléctricos,para fundicionesdecalidad;enbornos de reverbero, para fundir grandes piezas,yenhornos denominados cubilotes, que es donde se obtiene la mayor parte de la fundición.
Los cubilotes sonhomoscilindricosde marcha discontinua y ventilación forzada, quese cargan por su parte superior con cargas alternadas dearrabiodealtohorno, cok metalúrgico y castina como fundente, en las proporciones respectivas aProximadas de SOa10 yaO,5. También se utiliza chatarra de hierro y acero sustituyendo a parte de la cargadearrabio.
2. Aplicaciones de las fundiciones
La fundieiónseempleapara la fabricación de un número de piezascadadia mayor,desplazando incluso al acero en algunas piezas, como, >por .ejemplo, loscigiieñalesde motores, que tradicionalmente se fabricaban deac.ero.
Esto se débea las innegables ventájasquetiene la fundieión,cuyos inconvenientesse han eliminado, en gran parte, en las fundiciones especiales.
Las fundiciones tienen las siguientes ventajas:l.a La fabricaeiónde piezas con fundición es más sencilla que con acero:a) Porque la temperatura de fusión de lafundieiónes más baja y no necesita.de
regulación especial.b) Se funden muy fáeilmentepiezas muy grandes y muy pequeñas.e) 'La mecanizaeiónde la fundición es más fácil que la del acero.
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2.a Las fundiciones tienen características muy aceptables para muchas aplicaciones:resistencia a la compresión hasta 100 Kg. por mm2
, y a la tracción, hasta 90 Kg./mm2;
muy buena resistencia al desgaste; una capacidad superior al acero para absorber vibraciones; cualidades autolubricantes, y más resistencia a la oxidación que el acero al carbonoo.
3.a Las piezas de fundición, por razón de su más fácil fabricación, son más baratasque las de acero.
3. Clases de fundiciones
Hasta hace pocos años sólo se utilizaban tres clases de fundiciones: las blancas, lasatrochadas y las grises. Sin embargo, el descubrimiento de las fundiciones maleables yla introducción de elementos de aleación han abierto un amplio campo a las fundiciones.
Actualmente, las fundiciones pueden clasificarse con arreglo al siguiente cuadro:
Blancas
FuNDICIONES ORDINARIAS . 1Ferríticas
Grises Grises ordinariasPerlíticas
Atruchadas
Resistentes a la roturaResistentes al desgasteResistentes al calorDe alta dureza
FuNDICIONES ALEADAS o •••••••••
De baja aleación
De alta aleación
![
Al níquelAl cromoAl silicioAl aluminio
FUNDICIONES ESPECIALES .
FuNDICIONES ORDINARIAS
1Corazón blanco (europeas)
Maleables Corazón negro (americanas)Maleable perlítica
De grafito esferoidal
De grafito difuso
Las fundiciones ordinarias son las que únicamente contienen hierro, carbono y pequefias cantidades de silicio, manganeso, azufre y fósforo, sin que en su elaboración intervenga ninguna técnica especial. Por el aspecto que presentan sus superficies de fractura, se clasifican las fundiciones ordinarias en blancas, grises y atrochadas.
Las fundiciones blancas se denominan así porque el color que presenta su superficiede fractura es predominantemente blanco. En estas fundiciones todo el carbono que contienen está combinado con el hierro en forma de carburo de hierro (CFe3), o sea, cementita. Las fundiciones blancas son duras y frágiles.
Las fundiciones grises deben su llombreal color gris que presenta su superficie defractura, debido a que la mayor parte del carbono que las constituyen está en forma degrafito.
Las fundiciones grises pueden clasificarse en ferríticas, grises ordinarias y perlíticas.
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Las fundiciones ferríticas son las que contienen de 0,3 a 0,5 OJo de carbono combinado, Y entonces, del 20 al 50 OJo de su hierro está en forma de ferrita.
Las fundiciones grises ordinarias contienen del 0,4 al 0,6 por ciento de carbono combinado.
Y, por fin, las fundiciones perlíticas contienen aproximadamente 0,80 OJo de carbonocombinado con el hierro, formando perlita.
Las fundiciones grises, en general, son menos duras que las blancas, pero más tenaces. Su resistencia a la tracción varía con la proporción del carbono combinado: de 12Kg.lmm2 en las fundiciones ferríticas, a 20 Kg.lmm2 en las fundiciones perlíticas.
Las fundiciones atrochadas son intermedias entre las fundiciones blancas y grises, ysus superficies de fractura son también blancas y grises.
En el cuadro n.o 1 figura la composición de los arrabios normalmente producidos enEspaña, que son fundiciones ordinarias.
CUADRO N.o 1
COMPOSICION DE LOS ARRABIOS MAS CORRIENTES OBTENIDOSEN LOS HORNOS ALlOS ESPAÑOLES
Calidades Composición %
Fundiciones atruchadas .
Fundiciones blancas .
Fundiciones grises
N.O 1 ;N.O 2 .N.O 3 .N.O 4 .N.O 5 .
C
3,253,253,503,503,50
4,00
4,00
Si
3,502,402,101,801,40
0,90
0,80
S
0,01-0,2
Mn
0,4-1,5
P
0,04-0,8
FUNDICIONES ALEADAS
Las fundiciones aleadas son las que contienen elementos de aleación, como níquel,cromo, molibdeno y manganeso, en cantidades suficientes para mejorar las propiedadesmecánicas o químicas de las fundiciones ordinarias.
Las fundiciones aleadas con menos del 5 OJo de elementos de aleación se denominande baja aleación, y las que los contienen en proporciones superiores, de alta aleación.
FuNDICIONES ESPECIALES
Las fundiciones maleables son fundiciones blancas, a las que se somete después a untratamiento de recocido que se denomina de maleabilización, con objeto de transformarsu constitución y aumentar su tenacidad y resistencia a la tracción. Hay tres clases defundiciones maleables: la de corazón blanco, obtenida por el procedimiento europeo; lade corazón negro, obtenida por el procedimiento americano, y la maleable perlítica, quees una maleable de corazón negro a la que se ha sometido a un tratamiento complementario.
Las fundiciones maleables tienen resistencia a la tracción y alargamiento superioresa las fundiciones ordinarias, llegando a una resistencia de tracción de 35 Kg.lmm2 y unalargamiento de un 20 OJo.
Las fundiciones de grafito esferoidal son fundiciones especiales obtenídas mediantela adición de magnesio o de algún otro elemento, en el proceso de su elaboración, con
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lo que se consigue que el grafito, que en las fundiciones ordinarias está en forma laminar,adquiera la forma esferoidal o nodular. El resultado de este cambio de estructura es unaumento en la resistencia a la tracción hasta de 90 Kg.lmm2
, y un alargamiento hastaun 15OJo.
Las fundiciones de grafito difuso se obtienen partiendo de fundiciones blancas, que,una vez convenientemente tratadas, adquieren una constitución similar a los aceros eutectoides, con diminutos nódulos de grafito repartidos por toda su masa. La resistencia ala tracción de algunas condiciones de este tipo supera los 80 Kg.lmm2
, y el alargamiento resulta superior, algunas veces, al 4 OJo.
3!1mclic;oI1PJ. !lrÍJeJ'
,1 I I
l' ~Aceros I I I'ul1ebciom>J
ti 6/anccu
"o { 2 3 5 ~ tleC
Fig. l.-Composición en carbono y silicio más corriente de las fundiciones grises,de las fundiciones blancas y de los aceros.
4. Fundiciones blancas
Las fundiciones blancas son aleaciones hierro·carbono constituidas esencialmente porperlita y cementita. Su porcentaje de carbono puede variar entre 1,76 y 6,67 %. A medidaque aumenta el porcentaje de carbono, aumenta el porcentaje de la cementita, desde el27% que tiene con 1,76% de carbono, hasta el 100% cuando tiene 6,67% de C. y disminuye el porcentaje de perlita desde el 85 hasta el 0%.
Las fundiciones blancas con un 4,3 OJo de carbono, que es la proporción eutéctica, sedenominan fundidones eutécticas.
Las fundiciones blancas con un contenido de carbono inferior al 4,3% se denominanhipoeutécticas. Y las fundiciones blancas con contenido de carbono comprendido entre4,3 y 6,67 % se denominan hipereutécticas.
Las fundiciones blancas hipoeutécticas tienen una microestructura observable en elmicroscopio formada por agrupaciones derivadas de la ledeburita compuestas por cemen-tita y perlita. .
En cambio, la microestructura de las fundiciones blancas hipereutécticas está formada por grandes masas de cementita primaria (en lugar de la perlita de las hipoeutécticas)rodeadas también de agrupaciones de perlita y cementita. derivadas de la ledeburita.
Las fundiciones blancas, en general, son muy duras, de 300 a 350 Brinell, pero frágiles y de poca tenacidad.
Las fundiciones blancas no tienen mucho interés industrial, empleándose en su mayorparte para la obtención de fundiciones maleables, corno veremos más adelante;
5. Fundiciones grises
Así como en las fundiciones blancas todo el carbono que contienen está en formade carburo de hierro (eFe3)' o sea, f·ormando con el hierrocementita, en las fundi~
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ciones grises, teóricamente, todo el carbono debería estar en forma de grafito, y, por lotanto, el hierro estaría en forma de ferrita.
En la práctica, sin embargo, no existen ni se emplean fundiciones grises en que todoel carbono está en forma de grafito, sino fundiciones en que parte del carbono se encuentra formando cementita, y parte, en forma de grafito.
CUADRO N.o 2
COMPOSICION DE LAS FUNDICIONES ORDINARIAS MAS EMPLEADAS EN ESPAÑA
Clase de fundición
Gris ordinaria .Gris alta resistencia ..Blanca .
Fundiciones blancas para la obtenciónde maleables:
De corazón blanco (europeas) .De corazón negro (americana) .
Composición %
C Si Mn P S
2,5-4,00 1,0-3,80 0,40-1,0 0,05-1,00 0,05-0,252,8-3,30 1,4-2,00 0,50-0,8 0,05-0,15 0,05-0,121,8-3,20 0,5-1,90 0,25-0,8 0,05-0,20 0,06-0,18
2,5-3,00 0,5-1,25 0,40-0,6 0,05-0,10' 0,05-0,102,0-2,75 0,5-1,20 0,40-0,6 0,05-0,10 0,05-0,10
Las fundiciones grises tienen un peso específico de 7,25, inferior al peso específicode las blancas, que es alrededor del 7,7. Ello es debido a que el carbono en forma degrafito tiene un volumen mayor que combinado con el hierro en forma de cementita. Estose traduce en un aumento de volumen de las fundiciones grises al enfriarse, entre los 1.0000
y 800°, que son las temperaturas en que se forma el grafito.Las contracciones en la solidificación de las fundiciones varían con la clase de fundi
ción. Así, las fundiciones grises se contraen solamente un 2,1 070, aproximadamente, envolumen (en longitud, 0,7 a 1,3 %), mientras que las fundiciones blancas se contraen un4,4% en volumen (en longitud, 1,2 a 2%). El acero se contrae un 5,2% en volumen (enlongitud, 1,5 a 2,6 %) (fig. 2).
COH¿'or:aDhN" oCÚ"/are:t'ClOITL".1 L"IT .x
7r----------~----___.
i~:f E,,¡;',__,eITb --
14M" f+PIJO fZIJOO (fJf)I)' /JDD o 6(J(J" 'HJD0 31M- ·CFi.g. 2.-Contraccíón en el enfriamiento de. las fundiciones blancas y grises.
La formación de grafito en las fundiciones, o sea, la formación de fundiciones grisesen lugar de blancas, se debe a la influencia del silicio, que cuando está en proporciónde 0,1 a 0,6%. en la fundición, no ejerce ninguna influencia apreciable; pero en proporciones de 0,6 a 3,5 % favorece la formación de grafito y, por tanto, modifica sustancialmente las propiedades de las fundiciones. Así, por ejemplo, una fundición de 4,5%
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de e y 0,6 OJo de Si, es una fundición blanca; y, en cambio, otra fundición del mismoporcentaje de carbono y 2,5 OJo de silicio, es una fundición gris.
Otra circunstancia que ejerce una gran influencia en la formación de fundiciones grises o fundiciones blancas es la velocidad de enfriamiento. Los enfriamientos lentos favorecen la formación de grafito y, por tanto, la formación también de fundiciones grises.Los enfriamientos rápidos favorecen la formación de fundiciones blancas. Así se ha observado que en piezas que tienen secciones de diferente espesor se forman fundicionesblancas en las secciones delgadas, y grises en las gruesas, a pesar de ser inicialmente todala pieza de la misma composición (fig. 3).
J)v,,,za8,.;17,,/1~(,oq::::::tt::--'--l-¡3110
320
300
260
2602~0
220
200 J
E.rI'I!/o""" 3 +"..."... """"';;--";;"""'-rr
\I'v"t:ó~onhla"~a
Fig. 3.-Influencia del espesor de las piezas de fundición ordinariaen su composición y dureza.
PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES GRISES
Las fundiciones grises se mecanizan fácilmente. Tienen una gran resistencia a la corrosión; por eso son muy empleadas para la fabricación de piezas que han de quedara la intemperie. Tienen también gran resistencia al desgaste, buenas cualidades autolubricantes y un gran capacidad de amortiguación a las vibraciones. Thdas estas. cualidadesson principalmente debidas al grafito.
La resistencia a la tracción de las fundiciones grises depende del carbono combinado,y puede calcularse, aproximadamente, por la fórmula:
R = A (50 + 60 C)
en la que R es la resistencia a la tracción, y A, un coeficiente que depende del tipo degrafito y varía de 0,2, si las láminas de grafito son grandes y numerosas, a 0,4, si sonpocas y pequeñas, llegando a valer 0,8 en algunas fundiciones especiales. Por ejemplo,una fundición de grandes láminas de grafito y 0,4 OJo de carbono tendrá una resistencia de
R = 0,2 (50 + 60 x 0,4) = 14,8 Kg.lmm2
La resistencia a la tracción de las fundiciones grises ordinarias oscila entre 15 y25 Kg.lmm2
, no superando nunca los 30 Kg.lmm2• La resistencia a la compresión de las
fundiciones grises no es igual a la tracción, como ocurre en los aceros, sino de 2 a 5 vecesmayor.
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CUADRO N.o 3
COMPOSICION DE LAS FUNDICIONES GRISES MAS UTILIZADASPARA LAS APLICACIONES INDICADAS
Clase de la pieza Composición %
C Si Mn P S
!Espesor pequeño 3,25 2,25 0,50 0,25 0,10Piezas de maquinaria Espesor medio ... 3,25 1,75 0,50 0,25 0,10
Espesor grande ... 3,25 1,25 0,50 0,25 0,10Piezas de ornamentación ................. 3,50 2,75 0,50 1,00 0,10
Tubos { Grandes ...................... 3,40 1,75 0,50 0,80 0,08Medianos ..................... 3,60 2,00 0,50 0,80 0,08
Segmentos ••••••••••••••••••• o ••••••••• 3,50 3,00 0,65 0,50 0,06Camisas de cilindros ..................... 3,25 2,25 0,65 0,75 0,08Pistones de motores de explosión .......... 3,35 2,25 0,65 0,15 0,10Zapatas de freno ........................ 3,10 1,70 0,50 0,15 0,10Piezas delgadas de alta resistencia ......... 2,75 2,25 0,80 0,10 0,09Lingoteras ••••••• o' •• o' ••••• o •••••••••• 3,50 1,00 0,90 0,20 0,07Piezas blandas de máquinas .............. 3,40 2,60 0,65 0,30 0,10Ruedas ................................ 3,35 0,65 0,60 0,35 0,12Resistente al calor ....................... 3,50 1,15 0,80 0,10 0,07
COMPOSICIÓN DE LAS FUNDICIONES GRISES
Las fundiciones grises más empleadas tienen una composición de 3,25 OJo de C y1,75 % de Si, siendo su resistencia a la tracción de unos 15 Kg./mm2
, y su dureza, unos150 Brinell.
La composición de las fundiciones grises no suele darse en porcentaje de carbono ysilicio, sino por un número que representa la suma de los porcentajes de carbono y si-
licio (C + Si), o por el valor de % C + % Si + % P, recibiendo este valor el nombre de3 3
carbono equivalente. De acuerdo con esto, se denominan fundiciones eutécticas las decarbono equivalente igual a 4,3; hipoeutécticas, las de carbono equivalente inferior a 4,3,e hipereutécticas, las de valor superior.
Se han desarrollado también gráficos que dan la resistencia de las fundiciones grisesen función de carbono equivalente y del espesor de las piezas (fig. 4).
Sin embargo, el valor que todavía se sigue utilizando más es el del e + Si.
"9 "U11'
4ar----,..---,..----,------,
30 t----"'""~-__+"___/_-+_--_l
(o 7"----'-----L----'-----;;!3 '+ :;
% Cqrbono er¡vl/K7!l1/lfe (% e-¡- fr/'-1- ?)Fig. 4.-Resistencia a la tracción de las fundicioncs cn función
del porcentaje de carbono equivalente.
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6. Fundiciones perliticas
Las fundiciones perlíticas son fundiciones grises cuyo carbono combinado está formando perlita laminar. Pueden considerarse estas fundiciones como aceros eutécticos conláminas de grafito incrustadas en la masa de la perlita.
La perlita de las fundiciones contiene aproximadamente 0,80070 de carbono, es decir,una proporción algo menor que la del acero, que como se recordará contiene 0,80 % de C.
%C5t--.--.-~.--.--.--r--"
A4.3 l¡.
Fig. 5.-Diagrama de Maurer,que da la constitución de las fundiciones segúnel porcentaje de carbono y silicio que contienen.
Zona 1: Fundiciones blancas.Zona II a: Fundiciones con perlita ycemenfita.Zona JI: Fundiciones perliticas.Zona II b:Fundiciones con perlita y ferrita.Zona lII:Fundiciones ferríficas.
La zona rayada indica los porcentajes de carbono y silicio más adecuados paraobtener fundiciones perlificas.
Como el carbono total que contienen las fundiciones perlíticas es la suma del carbonografítico y del carbono perlítico (0,80 %), tendremos:
% de carbono grafítico =%decarbono total - 0,80%
A medida que disminuye el carbono total, disminuirá el porcentaje de grafito y, portanto, aumentará la resistencia a la tracción de las fundiciones tanto más cuanto más seaproxime su composición a la perlítica, () sea, a un O,S007o de carbono total.
Las resistencias a la tracción de las fundiciones perlíticasvarían de 20 a 35 Kg.lmm2,
y su dureza de ISO a 250 Brinell, teniendo una gran resistencia al desgaste.
CUADRO N.o 4
INFillENCIA DE LA FORMA DE INTRODUCIR EL SILlCIOENLASCARACTERISTICASMECANICAS DE UNAFUNDICIONDELA SIGUIENTECOMPOSICION:
3,04 a 3,10 % deC, 2,08 a 2,15% de Si y 0,88 a 0,90 % de Mn
% Si
En las cargas .. 0'" •••••••••• , •••
En lacuchara , .
Total, 0'••••••••
DurezaBrinéll '" .Resistencia a la tracción en Kg.lmm2
532
2,17
2,17
22825,0-27
1,500,58
2;08
22328,4-30,2
1,001,15
2,15
21733,2~33,3
0,501,57
2,07
21733,7-34
2,13
2,13
21727,6-27,7
Estas fundiciones tienen el inconveniente de que son difíciles de elaborar, por las temperaturas tan elevadas que es preciso alcanzar en el cubilote.
1. Inoculación
La inoculación consiste en añadir al metal fundido en el canal de colada o en la cuchara, ferrosilicio o siliciuro cálcico, que son sustancias grafitantes y desoxidantes.
Este procedimiento mejora notablemente la resistencia a la tracción de las fundiciones (fig. 6), y además evita la aparición de zonas blancas. En el cuadro n.O 4 puede versela resistencia a la tracción de fundiciones a las que se ha aplicado este procedimiento.
La fundición conocida con el nombre comercial de Meehanite es una fundición de2,8 %de e y 1,1 OJo de Si, a laque se inocula siliciurocálcico en la cuchara de colada.
8. fundicionesaleadas
Las fundiciones aleadas contienen, además del hierro y carbono y los elementos queimpurifican las fundiciones ordinarias, otros elementos de aleación,algunoscomoelsilicio y manganeso que también se encuentran en las fundiciones no aleadas, pero en menorproporción, y otros que únicamente forman parte de este tipo de aleaciones; como sonelníquel, cromo,aluminio, cobre, molibdeno, vanadio y titanio.
Fig.6.-Influenciade lainoculaciánen la resistencia a la tracciánde las fundíciones.
De los elementos de aleación citados, silicio, aluminio, níquel, titanio y cobre favorecen la grafitación del carbono, ysedisuelvenen la ferrita y la endurecen aumentando,porconsiguiellte, la resistencia a la tracción de las fundiciones.
Encambio,cromQ, manganeso y molibdeno formancarbnrosconelcarbono y seoponen a lagrafitación, favoreciendo, por tanto, la formación de fundición blanca.
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Además, níquel, manganeso y cobre aumentan la estabilidad de la austenita, comoocurre en los aceros, favoreciendo la formación de fundiciones de matriz (1) austeníticaa la temperatura ambiente.
En cambio, silicio, aluminio y molibdeno aumentan la estabilidad de la ferrita y favorecen la formación de fundiciones ferríticas.
Además de los elementos citados, pueden contener las aleaciones aleadas, lo mismoque las ordinarias, azufre, fósforo, oxígeno e hidrógeno.
El azufre es generalmente aportado a la fundición por el cok en el proceso de su fabricación. Se encuentra en forma de sulfuro de hierro y sulfuro de manganeso. El azufrefavorece la formación de cementita y se opone a la grafitación del carbono. Pero comoal combinarse con el manganeso forma sulfuro de manganeso, y en este compuesto químico ni el azufre ni el manganeso ofrecen ninguna influencia sobre la grafitación, resultaque si se añade azufre a una fundiCión que contiene manganeso, al principio neutralizaa éste y favorece la grafitación (el manganeso se opone a la grafitación) y sólo en cantidades mayores favorece el azufre la formación de cementita. Lo mismo ocurre cuando seañade manganeso a una fundición que tiene azufre.
El contenido de azufre de las fundiciones, tanto aleadas como ordinarias, varía de0,1 a 0,2 % Ysi el porcentaje es mayor puede dar lugar al fenómeno denominado templeinvertido, pues el azufre en exceso queda segregado en la zona central de los lingotes,en la que favorece la formación de cementita, resultando por esto más dura que la periferia.
El fósforo se añade a las fundiciones muchas veces con objeto de favorecer su fluidezcuando se quieren fabricar piezas de forma complicada. La influencia en el aumento dela fluidez de las fundiciones por parte del fósforo se debe a la formación del eutécticosteadita que describimos con anterioridad, cuyo punto de fusión muy bajo hace descender el de la fundición. El contenido normal de fósforo en una fundición es de 0,15 %,empleando contenidos más bajos para aumentar la resistencia a la tracción y contenidosmás altos, de 0,50 a 2,50 OJo, para favorecer la fluidez.
El oxígeno se encuentra en las fundiciones en forma de inclusiones no metálicas deóxido de hierro, óxido de manganeso, óxido de aluminio y óxido de silicio. El porcentajede oxígeno oscila entre 0,002 y 0,02 %. El oxígeno se opone a la grafitación del carbonoy disminuye la fluidez del metal en la colada.
El hidrógeno es un elemento indeseable en las fundiciones que se presenta como impureza gaseosa que produce fundiciones porosas. El hidrógeno proviene del vapor de agua,del aire soplado, y de la humedad del cok y de la arena de los moldes.
9. Fundiciones de baia aleación
Las fundiciones aleadas se suelen clasificar en dos grupos: las de baja aleación, conporcentajes del elemento aleado inferior al 5 %, y las de alta aleación, con porcentajessuperiores al 5 %.
Las fundiciones de baja aleación se suelen agrupar por la característica o propiedadque resulta más favorecida con la aleación en los siguientes grupos:
1. o Fundiciones de alta resistencia a la tracción.2. o Fundiciones resistentes al desgaste.3. o Fundiciones resistentes al calor.4. o Fundiciones de gran dureza.
LAS FUNDICIONES DE ALTA RESISTENCIA A LA TRACCiÓN tienen como elementos dealeación níquel, cromo y molibdeno en proporciones que llegan hasta 4,50 % de Ni, 2 %de Cr, 1% deMo y 1,75 % de Cu. Algunas de estas aleaciones alcanzan una resistenciahasta de 50 Kg.lmm2
•
(1) . Se suele denominar «matriz» en la fundición al conjunto de sus constituyentes, excepto el grafito.
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CUADRO N.o 5
COMPOSICION DE LAS ALEACIONES DE BAJA ALEACION MAS UTILIZADASPARA LAS APLICACIONES INDICADAS (APRAIZ)
Fundidones aleadas de alta resistencia
%C % SI %Mn % Cr % Cu %Mo 'fe N°
3,35 2,20 0,75 0,35 - - 0,753,25 2,25 0,60 0,30 - - 0,25
Camisas de cilindros de motores 3,25 2,00 0,70 - 0,60 - -de automóviles .................. 3,20 2,15 0,70 0,50 - 0,50 0,50
3,25 2,20 0,60 0,50 1,00 1,00 0,203,35 2,00 0,70 0,35 - - 1,75,
3,30 2,25 0,65 0,30 - - 0,25
Tambores de freno 3,25 2,00 0,60 - 1,00 0,50 -..................
3M 2,40 0,70 - - 0,75 1,003.20 1,90 0,70 0,50 - - 1,50
2,50 2,50 1,00 - - 1,00 1,00
Cigüeñales 2.80 2,10 0,70 - - 0,60 1,75........................... 3,00 2,00 0,80 - - 0,75 1.501,50 0,95 0,70 0045 1,75 - -
3,25 1,SO 1,25 - - 0,70 -Troqueles para estampaci,)n de 3,50 1,50 0,50 - 2,20 - 1,75
chapa .............................. '3,00 2,20 0,75 0,35 - 0;60 2,003,00 1,45 0,90 0,90 - - 3,00
3,30 1,60 0,60 0,25 - 0,20 1,00Bancadas de máquinas ............ 3,00 1,00 0,75 0,35 - - 1,25
2,90 1,90 0,90 - - - l,SO
3,00 0,60 0,25 - - 0,35 -Cilindros de laminación 3,00 0,55 0,20 0,25 - 0,25 0,25
en ca· 3,10 0,60 0,20 O,<U> - 0,40 3,50'liente ...............................3,SO 0,90 1,30 2,00 - - 4,503,40 0,60 0,25 1,30 - 0,40 4,SO
Fundiciones aleadas resistentes al desgaste
CrNi alta en carbono (blanca) .CrNi haja en carbono (blanca) .Al manganeso (blanca) .Fundición gris martensítica ..Alta aleación de cromo ..Alta aleación de molibdeno .
3,252,752,003,102.602,70
0,50O,SO2,901,751,SOl,SO
0,50 2,000,50 2,003,00 0,250,901 0,800,60 20,000,80 3,00
1,50O,SO
1,506,00
4,504,50
4,102,002,00
Fundiciones aleadas resistentes al calor (400° a 750°)
Al cromo tbaja aleación) .........
3,503,103,003,4ü
2,252,102,002.00
0,600,600,600,60
1,251,000,750,60 1,50
535
LAS FUNDICIONES RESISTENTES AL DESGASTE más utilizadas son de tres tipos:
1) Las fundiciones blancas al níquel, que contienen de 2,75 a 3,35 OJo de C, 4,5 %de Ni, 2 % de Cr y bajo contenido de silicio (0,5 %). Con estas fundiciones, una vez templadas y, por tanto, con matriz de constitución martensítíca, se obtienen durezas de 700a 900 Vickers.
2) Las fundiciones blancas al manganeso contienen un 2 % de C, 2,90 % de Si y3 % de Mn. Una vez templadas y, por tanto, con su matriz martens{tica, tienen unos 700Vickers de dureza, es decir, son menos duras y más frágiles que las fundiciones blancasal níquel, pero son más baratas.
3) Las fundiciones grises autotemplantes se denominan así porque quedan templadas al enfriarse en la colada. Tienen 3 % de C, 1,75 % de Si, 4 % de Ni y 0,80 % de Cr.Su dureza oscila entre 450 y 500 Vickers.
LAS FUNDICIONES RESISTENTES AL CALOR contienen de 1,50 al 2 % de silicio para limitar la grafitación del carbono, que es una de las causas que produce el hinchamientode las fundiciones ordinarias cuando se calientan a temperatura superior a 500°. Tambiéncontienen 1,25 % de cromo para estabilizar los carburos. Con estos elementos de aleaciónresisten perfectamente estas fundiciones temperaturas hasta 750°.
LAS FUNDICIONES DE GRAN DUREZA son fundiciones blancas que tienen como elemento de aleación hasta 3 % de cromo. Son muy duras y resistentes a la abrasión, peropoco tenaces.
10. Fundiciones de alta aleación
Las fundiciones de alta aleación contienen como elementos aleados níquel, cromo,silicio y aluminio principalmente en proporciones superiores al 5%.
Las fundiciones con aleación del 15 al 35 % de níquel y porcentajes inferiores de cobrey cromo son austeníticas a la temperatura ambiente. Estas fundiciones son muy resistentes al calor sin sufrir hinchazón,. pero su propiedad principal es su alta resistencia a lacorrosión por ácidos y álcalis, por lo que se emplean mucho para la construcción de recipientes para la industria química. Tienen el inconveniente de que su coeficiente de dilatación es muy alto, por lo que resisten mal los calentamientos y enfriamientos bruscos.
Las fundiciones con porcentajes de cromo comprendidos entre 6 % Y 33 % resistenbien el calor hasta temperaturas de 1.000° y las variaciones bruscas de temperatura. Sontambién muy resistentes a la corrosión de los ácidos y álcalis.
Las fundiciones con porcentajes de silicio variables entre 6,50 y 15% resisten tambiéntemperaturas muy elevadas,. hasta 750°. Son muy resistentes a la oxidación y corrosiónde los ácidos.
Y, por fin, las fundiciones aleadas con aluminio en proporciones del 7 al 8 OJo resistenbien temperaturas hasta de 2.000°, pero son difíciles de mecanizar. Su resistencia a la tracción es de unos 14 Kg.lmm2 y su dureza de unos 400 Brinell.
11 ~ Tratamientos termicos de las fundiciones. Recocido
Las fundiciones ordinarias y aleadas mejoran de propiedades sometidas a los tratamientos térmicos fundamentales de recocido, temple y revenido.
Los ablandamientos que se obtienen en los recocidos y endurecimientos en los temples,. son inferiores a los que se obtienen con los aceros, pues sólo una parte de los constituyentes de las fundiciones son susceptibles de transformación. Sin embargo, las variaciones en dureza y resistencia son suficientemente importantes para justificar la aplicaciónde los tratamientos térmicos a las fundiciones.
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RECOCIDO DE LAS FUNDICIONES
Del recocido se emplean tres modalidades para las fundiciones:1.° Recocido de estabilización.2.° Recocido de ablandamiento.3.° Recocido de maleabilización.
El recocido de estabilización tiene por objeto eliminar las tensiones producidas porlos calentamientos y enfriamientos más o menos rápidos o por la variación de forma enla conformación de las fundiciones. Se realiza calentando las piezas muy lentamente hastalos 550°, manteniendo después esta temperatura de 30 a 60 minutos y enfriando despuéslo más lentamente posible.
El recocido de ablandamiento se aplica principalmente a las fundiciones grises y atruchadas y se realiza calentando a temperaturas comprendidas entre 740° y 900°. Si el calentamiento no ha rebasado los 740° puede enfriarse al aire obteniéndose durezas de unos125 Brinen. Pero si la dureza inicial de las piezas es superior a 250 Brinen, resulta insuficiente el ablandamiento obtenido calentando hasta 740° y es necesario elevar la temperatura de recocido de 800° a 900°, debiendo enfriar después lentamente hasta 700° y a partir de esta temperatura continuar el enfriamiento al aire.
El recocido de maleabllización es un recocido especial que se aplica a las fundicionesblancas para transformarlas en maleables, como veremos más adelante.
12. Temple y revenido de las fundiciones
El temple y revenido se aplica también a las fundiciones grises y aleadas con objetode aumentar su dureza, resistencia a la tracción y resistencia al desgaste. Sin embargo,el resultado de la aplicación del temple y revenido no proporcionan los mismos resultados con las fundiciones que con los aceros, y pudiéramos decir que son contrarios encuanto a la resistencia a la tracción se refiere.
Dureza ReslsfenclaBrtnell /(!lm.m Jl
600 ~--r---"'--r--""--""--""--"""""--;60
ZOO
100
50
fO
~~~~~~.~.~.~.~.~.~~
léml'el'O/tua ot> revenido
Fig. 7.~Influencia de las temperaturas de revenido en la dureza y tracciónde las fundiciones grises (Apráiz).
Como se recordará, en los aceros con el temple se aumentaba la resistencia a la tracción y posteriormente con el revenido se reducía esta resistencia mejorando la tenacidad.
En las fundiciones, sin embargo, el temple disminuye la resistencia a la tracción delas fundiciones y el revenido la aumenta (fig.1) hasta una temperatura determinada, porencima de la cual la disminuye también como en los aceros.
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La dureza, en cambio, resulta como en los aceros aumentada con el temple y disminuida con el revenido.
Los resultados de la aplicación del temple y revenido a las fundiciones depende, comoes natural, de la constitución de éstas. Si están formadas por una matriz ferrítica no seobtendrán resultados apreciables en el tratamiento, pero si la matriz está formada porperlita pueden obtenerse grandes mejoras en la dureza y resistencia al desgaste, pero nuncase obtendrá una gran mejora en la resistencia de tracción.
El temple se realiza como en los aceros, calentando las fundiciones a una temperaturasuficientemente elevada para transformar su constitución, por lo menos en parte, en austenita, enfriando después a una velocidad superior a la crítica para que la austenita setransforme en martensita o en otros constituyentes, cuyas propiedades sean preferiblesa la martensita por alguna circunstancia especial como es la bainita.
Las temperaturas utilizadas varían entre 750° y 900°. El enfriamiento se recomiendarealizar en aceite, pues si se enfría en agua se originan fuertes tensiones entre las diversaszonas de las piezas que pueden degenerar en deformaciones y roturas. Sin embargo, elenfriamiento en aceite no se puede aplicar si las piezas son gruesas más que a las fundiciones aleadas con cromo, cobre, níquel y molibdeno que mejoran su templabilidad, pueslas fundiciones ordinarias enfriadas en aceite quedan sin templar. Esto sucede porqueel tamaño de las piezas tiene la misma influencia en el temple de las fundiciones que teníaen el temple del acero.
REVENIDO DE LAS FUNDICIONES
Los revenidos se realizan a temperaturas altas de 450° a 650° cuando interesa obtenerbuena resistencia a la tracción y una tenacidad aceptable. En cambio, cuando se deseaprincipalmente mejorar la dureza y resistencia al desgaste, se reviene a temperaturas entre200° y 450°.
13. Temple superficial de las fundiciones
De la misma manera que en los aceros, puede endurecerse la superficie de las piezasde fundición, calentándolas superficialmente por inducción y más frecuentemente conuna llama oxiacetilénica y enfriando inmediatamente después con agua.
Por este procedimiento se transforma en martensita la matriz de una zona superficialde la fundición, que, por tanto, aumenta su dureza y resistencia al desgaste. En cambio,el núcleo de la pieza conserva su dureza y tenacidad inicial.
Este tratamiento, que también se denomina flameado de las fundiciones, tiene unagran aplicación a las fundiciones perlíticas de 0,6 a 0,8 OJo de carbono y tiene las ventajasde su rapidez y de la casi total ausencia de las tensiones residuales, que forzosamentese producen cuando se calienta y templa la totalidad de las piezas.
14. Nitruración de las fundicionesl
También la nitruración, que vimos cómo se aplicaba a los aceros, se emplea para eltratamiento de algunas fundiciones de bajo contenido de carbono aleadas con cromo yaluminio. La nitruración se realiza calentando las piezas a 510° durante 90 a 100 horasen atmósfera de amoníaco disociado, con lo que la dureza alcanza de 800 a 1.000 Vickers.
15. Fundiciones maleables
Las fundiciones ordinarias son poco tenaces, lo que las hace poco recomendables cuando se han de resistir golpes o tracciones bruscas.
Por eso y desde hace muchos años se ha trabajado en la mejora de la tenacidad delas fundiciones ordinarias variando su composición y sometiéndolas a tratamientos complementarios. Las primeras fundiciones de características mejoradas fueron las denomi-
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nadas maleables, que, conservando las buenas cualidades típicas de las fundiciones, comoson la facilidad de moldeo, resistencia a la oxidación, propiedades autolubricantes, etc.,tienen también alargamientos hasta de un 20 Ojo que resultan perfectamente aceptables paramuchas aplicaciones.
El proceso de fabricación de las fundiciones maleables se realiza en dos fases principales:1. o Fabricación de las piezas en fundición blanca.
2. o Recocido de maleabilización de las piezas fabricadas.
Para la realización de estos dos ciclos, existen dos procedimientos que se han denominado Europeo y Americano, con los que se producen fundiciones maleables de corazón
.blanco por el procedimiento Europeo, y fundiciones maleables de corazón negro por elprocedimiento Americano. La fundición maleable perlítica es una maleable de corazónnegro de constitución especial.
J 2,J+~--o+o>----"'-----l"""---'=--~ Dias
~
Fig. 8.-Ciclo de recocido para la obtención de la fundición maleablede corazón blanco.
FuNDICIÓN MALEABLE DE CORAZÓN BLANCO
La fundición maleable de corazón blanco se fabrica partiendo de piezas moldeadascon fundición blanca, y aunque teóricamente pueden éstas tener cualquier porcentaje decarbono, interesa que sea lo más bajo posible, para que así sea menor el que haya quetransformar o eliminar. El porcentaje de silicio debe variar, según el espesor de las piezas,entre 0,60 y 1,5 %.
Una composición típica de la fundición blanca para fabricación de fundición maleable por el procedimiento Europeo es la siguiente: 2,5 a 3 % de e, 0,5 a 1,25 % de Si,0,50OJo de Mn, 0,10% de P y 0,10% de S, o sea, e + Si = 4%.
Hg. 9.-Consütueióri de una lúridición maleable de corazónblanco x 100. En la periferia (parte derecha), la constitución es ferrítica Y el núcleo (parte izquierda) está consti-
tuido por ferrita y nódulos aislados de grafito.
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El recocido de maleabilización de la fundición blanca por el procedimiento Europeose realiza envolviendo las piezas con un material oxidante, como mineral de hierro, cascarillas de laminación, etc., dentro de cajas cerradas que se calientan en un horno a temperaturas comprendidas entre 900° y 1.000°.. El proceso dura seis días; un día para elevaciónde temperatura muy lentamente, tres días de permanencia a la temperatura máxima y dosdías para el enfriamiento (fig. 8).
Por medio de este recocido se descarbura la fundición blanca, por la acción oxidantede la cascarilla que rodea las piezas. Primero se descarbura una zona superficial y después por difusión del carbono del interior hacia el exterior se va descarburando la totalidad de la pieza, si no es de mucho espesor.
Modernamente se acorta el del ciclo de recocido de las fundiciones blancas en el procedimiento Europeo utilizando hornos potentes y atmósferas descarburantes, en lugar dematerial oxidante y cajas de recocido. Con este sistema se acorta extraordinariamente laduración del ciclo, como puede verse en el cuadro n.O 6.
CUADRO N.O 6
DURACION DEL RECOCIDO DE MALEABILIZACION A 1.000° C PARA LA OBTENCION DEFUNDICION MALEABLE DE CORAZON BLANCO, EN CICro NORMAL EN CAJAS O EN CICro
RAPIDO EN ATMOSFERA CARBURANTE
Espesor de las piezas en mm. . .. . . .. . .. . .. . . 5Duración en horas del recocido dentro de cajas y rodeado de
mineral.......... 55Duración en horas del recocido, sin cajas, con atmósfera des-
carburante .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 45
10 15 20
170 225 275
65 72 80
Después del recocido de maleabilización queda la fundición de corazón blanco conuna resistencia a la tracción de R = 35 Kg./mm2 y un alargamiento de A = 5 a 100/0.
fuNDICIÓN MALEABLE DE CORAZÓN NEGRO
La fundición maleable de corazón negro se prepara con fundiciones blancas de contenidos de silicio de 1 a 1,2 % y, por tanto, superiores a los empleados en las fundicionesblancas para la obtención de las fundiciones maleables por el procedimiento Europeo.El contenido de carbono debe ser necesariamente bajo y también los contenidos de manganeso y azufre, debiendo estar estos últimos elementos en la relación de
% de Mn = 070 de S X 1,7 + 0,20%
oc1~·,..--_-I- -+ -,
Fig. 1O.-Ciclo de recocido para la obtención de la fundición maleablede corazón negro.
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Una composición muy corriente de fundiciones blancas para la fabricación de maleables es la siguiente: 2 a 2,75 OJo de C, 1,20 % de Si, 0,5 % de Mn, 0,10 % de P y 0,20 %de S, o sea, C + Si = 3,5 %.
El recocido de maleabilización por el procedimiento Americano se realiza colocandolas piezas de fundición blanca apropiada rodeadas de un material neutro, como arena,en lugar de un material oxidante, como en el procedimiento Europeo, dentro de cajascerradas que se someten después a un calentamiento hasta una temperatura de 875°, empleando un día para elevar la temperatura, dos para mantenerla y tres para enfriar. Entotal, seis días (fig. 10).
Modernamente se ha logrado acortar este ciclo de calentamiento reduciéndolo a50 horas utilizando el proceso de la figura l2-A, y hasta una duración total de 40 horasutilizando el ciclo de la figura l2-B.
Hg. H.-Constitución de la fundición maleable de corazón negro, formadapor nódulos de grafito sobre ferrita. x 250. Reactivo nital = 4.
Con este recocido, la fundición blanca no se descarbura como en el procedimientoEuropeo, sino que el carbono se precipita en forma de nódulos de grafito, resultando unmaterial muy tenaz con una resistencia de tracción hasta de R = 38 Kg.lmm2 y alargamientos A = 10 al 20 %. Es decir, características superiores a las obtenidas con la maleable Europa, teniendo la ventaja además de que pueden tratarse piezas de más de 30 mm.de espesor, mientras que por el procedimiento Europeo no conviene pasar de 10 mm.
FuNDICIÓN MALEABLE PERLÍTICA
La fundición maleable perlítica es una variante moderna de la maleable Americanade corazón negro, que tiene en lugar de matriz ferrítica como ésta una matriz perlíticamás dura y resistente.
Se fabrica como la maleable Americana, con la diferencia de que el enfriamiento, queen ésta es lento, debe ser mucho más rápido. Pero si se utilizan fundiciones blancas conproporción de manganeso superior a lo normal, se obtienen fundiciones maleables perlíticas enfriando a la velocidad normal del procedimiento Americano, pues el manganesofavorece la formación de la perlita (fig. 13).
La dureza obtenible en una fundición maleable de perlita varía según la velocidad de enfriamiento, pudiendo tomar como orientación para un descenso de temperatura d~ 10° por minuto, una dureza de 165 Brinen y una resistencia a la tracciónR = 60 Kg.lmm2
•
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De1000'rO -,
o 10 ZO JD 40 50 o lo 20 30 -'10 50hOhZJ horcV
A BFig. 12.-Ciclos de recocido rápido para obtención de fundiciones de corazón negro, realizadas en instalaciones que no
emplean cajas de recocido.
16. Fundiciones de grafito esferoidal
Las fundiciones de este tipo tienen el grafito en forma de nódulos, sensiblemente esféricos, de un diámetro aproximado de 0,05 mm.
Para su fabricación se parte de fundiciones grises ordinarias, a las que se añade magnesio en la cuchara de colada, y un inoculante, una vez que se han trasvasado a una segunda cuchara de colada.
r-------------r f~<¡'O'900'
800°
700'
600°
500'
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3000
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'--~.---~,__~----,'--__!:__=_'-'-o'~ 2 3 ~ S DjaJ
Fig. 13.-Ciclos de recocido empleados para laobtención en fundiciones maleables perlíticas, conenfriamíento rápido o menos rápido, con alto porcen-
taje de magnesio.
En general se añade el magnesio en forma de aleación cobre-magnesio al 15-25 % oníquel-magnesio al 15 OJo, pues si se añade magnesio puro se produce una reacción tumultuosa con proyecciones de metal.
Una composición de fundición gris muy empleada es 3,5 % de e y 2,5 % de Si, osea, e + Si = 6 %. Pero también se emplean fundiciones aleadas con níquel, cromo o molibdeno para mejorar su templabilidad.
Las fundiciones de grafito esferoidal responden a los tratamientos térmicos de formamuy parecida a los aceros. Templan de 8500 a 925 0 y se enfrían en aceite. El revenidodisminuye su resistencia y dureza y aumenta su tenacidad dependiendo los resultados dela temperatura. El recocido se realiza calentando a 9000 y enfriando hasta 6500 en el hornoy después al aire.
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Hg. 14.-Fundición gris ordinaria con el grafito en forma laminar. x 250.
Las fundiciones de grafito esferoidal tienen en bruto de colada una resistencia a latracción hasta de R = 70 Kg.lmm2 y mi alargamiento A = 3 OJo. Una vez templadas y revenidas llegan a alcanzar una resistencia de R = 90 Kg.lmm2 y un alargamiento del 4 OJo.
Hg. I5.-La misma fundición de la figura 14, con adición de magnesioy el grafito en forma esferoidal.
17. Fundiciones de grafito difuso
Las fundiciones de grafito difuso tienen el grafito en forma de diminutos nódulosrepartidos por toda la masa de la fundición, en número aproximado de 10.000 a 12.000por mm2 de superficie de una probeta preparada para su observación microscópica.Mientras en las fundiciones de grafito esferoidal el número de nódulos es de 50 a 60por mm2
•
Estas fundiciones se obtienen partiendo de fundiciones blancas, que se templan paratransformar su matriz en martensita. En el revenido, que sigue a continuación a 500°,se producen los gérmenes de nuc1eización, que se convierten en nódulos en el recocidofinal a 780°.
Con fundiciones blancas de 2,6 % de C, 1,40 % de Si, 0,80 % de Mn, 1,30 % de Cr,0,04 % de S y 0,60 % de P, se obtienen después del proceso descrito resistencias a la tracción del orden de R = 82 Kg.lmm2
, límite de elasticidad E = 78 Kg.lmm2, y alargamien
to A = 415 %, características, como puede verse, muy superiores a las fundiciones ordinarias, y muy parecidas a las de los aceros eutectoides.
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18. Fundiciones templadas
Cuando algunos tipos de fundiciones grises, de 2,5 a 4 OJo de C y 0,5 a 1OJo de Si,se moldean en coquillas (moldes metálicos), resultan las piezas con una zona superficialde espesor variable entre 5 y 50 mm. de fundición blanca, muy dura, de 400 a 500 Brinell,producida por su rápido enfriamiento al contacto con el molde metálico, mientras queel núcleo conserva las características de la fundición gris enfriada normalmente.
Hg. 16.-Nódulos de grafito de una fundición Fig. \7.-Nódulos de grafito de una fundiciónmaleable de corazón negro. x 160. de grafito difuso. x 160.
Las piezas obtenidas por este procedimiento se dice que son de fundición templada,pero no ha habido ningún temple, sino solamente transformación de la zona superficial,de la fundición gris en fundición blanca.
Fig. IS.-Sección transversal de una rueda de ferrocarrilde fundición «templada». La banda de rodadura de fundición blanqueada muy dura y el resto de fundición gris
más tenaz.
Se fabrican también piezas endurecidas superficialmente por este procedimiento, insertandoen las zonas que interese de los moldes de arena, placas de fundición que aceleran el enfriamiento superficial de la pieza en esas zonas y blanquean la fundición.
Este procedhniento se aplica mucho para la fabricación de cilindros de laminacióny ruedas de ferrocarril, cuya banda de rodadura queda así muy dura y el resto de la ruedacon mejor tenacidad (fig. 18).
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