CAPITULO 9CAPITULO 9

FUNDICION DE LAS FUNDICION DE LAS ALEACIONES DE COBREALEACIONES DE COBRE

Históricamente, las aleaciones de Cu están entre los Históricamente, las aleaciones de Cu están entre los objetos metálicos más antiguos hechos por el hombre a objetos metálicos más antiguos hechos por el hombre a partir de metal fundido. En vista de que el Cu se encuentra partir de metal fundido. En vista de que el Cu se encuentra como Cu nativo.como Cu nativo.

Su punto de fusión y de sus aleaciones con el Au, Sn Su punto de fusión y de sus aleaciones con el Au, Sn y Zn, son bastante bajos y están dentro del rango de y Zn, son bastante bajos y están dentro del rango de temperaturas que pueden alcanzarse con la madera y el temperaturas que pueden alcanzarse con la madera y el carbón. La fundición del Cu y algunas aleaciones se carbón. La fundición del Cu y algunas aleaciones se remonta a 3000 AC.remonta a 3000 AC.

Sin embargo, la importancia de las aleaciones de Sin embargo, la importancia de las aleaciones de Cu como material de ingeniería se remonta a algunos Cu como material de ingeniería se remonta a algunos cientos de años atrás, en la cual se desarrollaron las cientos de años atrás, en la cual se desarrollaron las principales aleaciones.principales aleaciones.

Ventajas de las aleaciones de cobreVentajas de las aleaciones de cobre Conductividad eléctrica y térmica.Conductividad eléctrica y térmica. Resistencia a la corrosión.Resistencia a la corrosión. Apariencia.Apariencia. No toxicidad.No toxicidad. Calidad de metal antifricción.Calidad de metal antifricción.

DesventajasDesventajas Su principal desventaja es el costo.Su principal desventaja es el costo.

MOLDEOMOLDEO

Las aleaciones de Cu pueden fundirse por Las aleaciones de Cu pueden fundirse por cualquiera de los procesos: en moldes de arena, cualquiera de los procesos: en moldes de arena, moldes permanentes, fundición inyectada, moldeo moldes permanentes, fundición inyectada, moldeo en yeso, fundición de precisión, etc.en yeso, fundición de precisión, etc.

Debido a su alta gravedad específica y rango Debido a su alta gravedad específica y rango intermedio de temperatura de vaciado, los moldes intermedio de temperatura de vaciado, los moldes metálicos son afectados por el calor a un grado metálicos son afectados por el calor a un grado moderado, el desgaste del molde es menor que el moderado, el desgaste del molde es menor que el producido por los fierros fundidos y el acero, pero producido por los fierros fundidos y el acero, pero es mayor que el producido por las aleaciones de Al.es mayor que el producido por las aleaciones de Al.

La fundición inyectada de las La fundición inyectada de las aleaciones de Cu, comparada con la de las aleaciones de Cu, comparada con la de las aleaciones de Al, se realiza sólo con unas aleaciones de Al, se realiza sólo con unas pocas aleaciones de Cu y es mucho más pocas aleaciones de Cu y es mucho más limitada en la forma, tamaño y número de limitada en la forma, tamaño y número de piezas que pueden producirse antes que la piezas que pueden producirse antes que la matriz se deteriore.matriz se deteriore.

Los moldes de arena aglomerados con Los moldes de arena aglomerados con cemento, se usan ampliamente para grandes cemento, se usan ampliamente para grandes piezas, tales como impulsores de barcos de piezas, tales como impulsores de barcos de hasta 17 ton. con una variación dimensional hasta 17 ton. con una variación dimensional máxima de 1/32” sobre el total de la pieza.máxima de 1/32” sobre el total de la pieza.

Los moldes de yeso se usan para producir pequeñas Los moldes de yeso se usan para producir pequeñas piezas intrincadas, tales como ferretería, accesorios, estatuas piezas intrincadas, tales como ferretería, accesorios, estatuas y piezas ornamentales.y piezas ornamentales.

Por fundición centrífuga se pueden producir todas Por fundición centrífuga se pueden producir todas las aleaciones de Cu, en tamaños que varían de unos gramos las aleaciones de Cu, en tamaños que varían de unos gramos hasta 25 ton, como por ejemplo grandes cilindros hasta 25 ton, como por ejemplo grandes cilindros perforados para la industria de la pulpa de madera y papel.perforados para la industria de la pulpa de madera y papel.

En general, la mayor producción de piezas fundidas En general, la mayor producción de piezas fundidas se realiza por fundición en moldes de arena en verde. se realiza por fundición en moldes de arena en verde.

Figura 9.1.- Piezas fundidas de aleaciones de Cu. (a) Puntas de agarre tipo eyector, para soldadura por resistencia, de Cu-Cr de alta conductividad. (b) Canal de turbina de bronce al Al. (c) Caja de medidor de bronce al Sn. (d) Rodillo guía de bronce al Al.

ARENA DE MOLDEOARENA DE MOLDEOLas arenas de moldeo usadas en las Las arenas de moldeo usadas en las

aleaciones de Cu, dependen del tipo de aleaciones de Cu, dependen del tipo de aleación, peso y espesor de sección de la aleación, peso y espesor de sección de la pieza, tal como se muestra en la pieza, tal como se muestra en la Tabla 9.1Tabla 9.1..

El inusual énfasis sobre la El inusual énfasis sobre la permeabilidad se debe a la relación existente permeabilidad se debe a la relación existente entre esta propiedad y el acabado superficial entre esta propiedad y el acabado superficial de la pieza. Muchas aleaciones de Cu de la pieza. Muchas aleaciones de Cu requieren de un excelente acabado requieren de un excelente acabado superficial en bruto de colada.superficial en bruto de colada.

Tabla 9.1.- Tabla 9.1.- Propiedades de la arena vs tamaño y peso de sección.Propiedades de la arena vs tamaño y peso de sección.

Peso, lbsEspesor de

sección, pulg.Permeabilidad

AFS

Resistencia a lacompresión en

verde, PSI

Humedad,%

Hasta 11-1010-5050-100100-200200-2501000 y +

1/2123456

203040506080100

7778

1012

15-20

6.56.06.05.55.55.55.0

Por ejemplo, piezas de grifería que van a Por ejemplo, piezas de grifería que van a cromarse o deben ser precisas (válvulas), necesitan cromarse o deben ser precisas (válvulas), necesitan un buen acabado superficial. Arenas con baja un buen acabado superficial. Arenas con baja permeabilidad, dan un acabado más deseable.permeabilidad, dan un acabado más deseable.

En efecto, arenas de 120 a 170 AFS tienen En efecto, arenas de 120 a 170 AFS tienen menor permeabilidad que las arenas de grano menor permeabilidad que las arenas de grano grueso, cuando ambas están aglomeradas con grueso, cuando ambas están aglomeradas con arcilla. Sin embargo, la finura no es el único factor. arcilla. Sin embargo, la finura no es el único factor. Se requiere fluidez a fin de que se desarrolle una Se requiere fluidez a fin de que se desarrolle una cavidad del molde con una superficie cavidad del molde con una superficie uniformemente densa y lisa.uniformemente densa y lisa.

Las arenas naturales tienen una gran proporción de finos y Las arenas naturales tienen una gran proporción de finos y arcilla AFS, a la vez que una fluidez favorable.Si una arena arcilla AFS, a la vez que una fluidez favorable.Si una arena sintética es sobreaglomerada con arcilla, usualmente no sintética es sobreaglomerada con arcilla, usualmente no tiene fluidez.tiene fluidez.

De aquí, que una arena sintética aún cuando sea muy fina, no De aquí, que una arena sintética aún cuando sea muy fina, no producirá un buen acabado debido a que no fluirá o no se producirá un buen acabado debido a que no fluirá o no se compactará durante el moldeo. Su permeabilidad será alta compactará durante el moldeo. Su permeabilidad será alta en comparación, debido a la ausencia de fluidez.en comparación, debido a la ausencia de fluidez.

Se requieren altas permeabilidades en piezas de gran Se requieren altas permeabilidades en piezas de gran tamaño. La formación de gases es más pronunciada cuando tamaño. La formación de gases es más pronunciada cuando la masa de la pieza es mayor.la masa de la pieza es mayor.

Se pueden evitar más fácilmente las sopladuras, Se pueden evitar más fácilmente las sopladuras, pinholes y defectos similares por gases, con per-pinholes y defectos similares por gases, con per-meabilidades altas y baja humedad. Hay aleaciones de Cu meabilidades altas y baja humedad. Hay aleaciones de Cu que requieren mayores permeabilidades, como por ejemplo, que requieren mayores permeabilidades, como por ejemplo, los latones y bronces al Ni-Pb.los latones y bronces al Ni-Pb.

Se usan arenas de contacto en las aleaciones de Cu, Se usan arenas de contacto en las aleaciones de Cu, a fin de mejorar el acabado superficial de las piezas a fin de mejorar el acabado superficial de las piezas grandes.grandes.

En algunos casos, se añaden a la arena de contacto En algunos casos, se añaden a la arena de contacto cereales, harina, plombagina, seacoal muy fino. La cereales, harina, plombagina, seacoal muy fino. La plombagina, grafito o harina puede espolvorearse plombagina, grafito o harina puede espolvorearse directamente sobre la cavidad del molde para mejorar el directamente sobre la cavidad del molde para mejorar el acabado superficial.acabado superficial.

Tabla 9.2.- Tabla 9.2.- Arenas de moldeo para algunos latones y bronces.Arenas de moldeo para algunos latones y bronces.

Arena NaturalPropiedadesN° 1 N° 2 N° 3

ArenaSintética

Humedad, %PermeabilidadResistencia al corte en verde, PSIResistencia a la compresión en verde, PSIResistencia al corte en seco, PSIResistencia a la compresión en seco, PSIArcillaPunto de sinterización B, °FDeformación, pulg.Resistencia a la tracción, PSIFinura promedio AFS

7.018.41.86.93.022.0

16.8026060.0166.8125

7.049.02.711.25.129.0

18.0026510.0149.882.0

7.618.41.97.821.093.5

13.20

0.0184.2125

6.811.41.77.618.085.03.20

0.0122.7135

ARENA DE ALMASARENA DE ALMAS

Las arenas de almas deben ser menos colapsables Las arenas de almas deben ser menos colapsables que las almas usadas en las aleaciones de Al. Una mezcla que las almas usadas en las aleaciones de Al. Una mezcla típica sería la siguiente:típica sería la siguiente:

- Arena sílice : 40 - 140 AFS- Arena sílice : 40 - 140 AFS

- Resistencia a la compresión en verde: 140 - 280 gr/cm- Resistencia a la compresión en verde: 140 - 280 gr/cm22

- Resistencia a la compresión en seco: 7 - 10 kg/cm- Resistencia a la compresión en seco: 7 - 10 kg/cm22

FUSIONFUSION

La calidad de las piezas fundidas de aleaciones de La calidad de las piezas fundidas de aleaciones de Cu, es grandemente influenciada por las operaciones de Cu, es grandemente influenciada por las operaciones de fusión y vaciado. El molde perfecto produce una pieza de fusión y vaciado. El molde perfecto produce una pieza de mala calidad, si no se sigue correctamente la práctica mala calidad, si no se sigue correctamente la práctica metalúrgica.metalúrgica.

Las aleaciones de Cu, implican mayores Las aleaciones de Cu, implican mayores temperaturas que en la fusión de las aleaciones de Al. El temperaturas que en la fusión de las aleaciones de Al. El punto de fusión del Cu es alrededor de 1083 °C comparado punto de fusión del Cu es alrededor de 1083 °C comparado con 660 °C para el Al.con 660 °C para el Al.

Sin embargo, se requiere alrededor de 60% más de Sin embargo, se requiere alrededor de 60% más de calor en BTU, para fundir una unidad de peso de Al, que el calor en BTU, para fundir una unidad de peso de Al, que el necesario para el Cu. Esto se debe a la mayor capacidad necesario para el Cu. Esto se debe a la mayor capacidad calorífica, en BTU por lb por °F y calor latente de fusión, en calorífica, en BTU por lb por °F y calor latente de fusión, en BTU por lb, de Al, com-parado con el Cu. De aquí, la BTU por lb, de Al, com-parado con el Cu. De aquí, la capacidad calorífica es un factor fundamental en la fusión capacidad calorífica es un factor fundamental en la fusión de todos los metales y determina el calor de entrada de todos los metales y determina el calor de entrada requerido.requerido.

Equipos de fusiónEquipos de fusión

Los hornos usados para la fusión de las aleaciones Los hornos usados para la fusión de las aleaciones de Cu, consisten de hornos de crisol, reverberos, hornos de de Cu, consisten de hornos de crisol, reverberos, hornos de arco eléctrico y de inducción.arco eléctrico y de inducción.

El contacto del metal fundido con los gases del El contacto del metal fundido con los gases del horno, varían grandemente en los hornos antes horno, varían grandemente en los hornos antes mencionados, la información pertinente vista en las mencionados, la información pertinente vista en las aleaciones de Al., debe revisarse, debido a que reacciones aleaciones de Al., debe revisarse, debido a que reacciones muy importantes pueden ocurrir.muy importantes pueden ocurrir.

Los hornos de crisol y reverberos, permiten diversos Los hornos de crisol y reverberos, permiten diversos grados de contacto directo, de la atmósfera de combustión grados de contacto directo, de la atmósfera de combustión del horno y el baño.del horno y el baño.

Los hornos de inducción pueden estar cubiertos, no Los hornos de inducción pueden estar cubiertos, no tienen productos de combustión y tienen una atmósfera tienen productos de combustión y tienen una atmósfera virtualmente estancada sobre el baño. Esto, entonces, es una virtualmente estancada sobre el baño. Esto, entonces, es una marcada diferencia en los 2 tipos de hornos. marcada diferencia en los 2 tipos de hornos.

Procedimiento de fusiónProcedimiento de fusión

La carga metálica normal consiste de chatarra de La carga metálica normal consiste de chatarra de fundición limpia (retorno) y lingote del análisis deseado. fundición limpia (retorno) y lingote del análisis deseado. Generalmente, el metal es fundido bajo una atmósfera Generalmente, el metal es fundido bajo una atmósfera oxidante, si se emplea un horno calentado con combustible. oxidante, si se emplea un horno calentado con combustible. Una atmósfera oxidante implica que este presente en los Una atmósfera oxidante implica que este presente en los productos de combustión, alrededor de 0.50% de oxígeno productos de combustión, alrededor de 0.50% de oxígeno libre.libre.

Tabla 9.3.- Tabla 9.3.- Eficiencia de los hornos de fusión, empleados para Eficiencia de los hornos de fusión, empleados para fundir aleaciones de cobrefundir aleaciones de cobre

Horno de Fusión Combustible Eficiencia, % Crisol fijo (150 kg)

Crisol basculante (1200 kg)

Reverbero fijo

Reverbero basculante

De arco indirecto

De resistencia

De inducción de alta frecuencia

De inducción de baja frecuencia

CokeGas

Gas natural

CokePetróleo

Petróleo

Petróleo

Electricidad

Electricidad

Electricidad

Electricidad

3 – 510 – 1615 – 30

10 – 1214 – 18

26 – 36

22 – 30

39 – 49

43 – 56

48

67 - 73

Después de la fusión, para obtener el análisis Después de la fusión, para obtener el análisis deseado se hacen necesarias adiciones de elementos de deseado se hacen necesarias adiciones de elementos de aleación, tales como el Zn, Sn, Pb, o endurecedores aleación, tales como el Zn, Sn, Pb, o endurecedores especiales. Luego, el metal puede calentarse a su especiales. Luego, el metal puede calentarse a su temperatura de vaciado más 30 a 55 °C, quedando listo para temperatura de vaciado más 30 a 55 °C, quedando listo para transferirse del horno a la operación de colada.transferirse del horno a la operación de colada.

Las lecturas de temperaturas, deben hacerse con Las lecturas de temperaturas, deben hacerse con termocuplas de base metálica, para poder con-trolar termocuplas de base metálica, para poder con-trolar exactamente la temperatura de vaciado. Un mínimo tiempo exactamente la temperatura de vaciado. Un mínimo tiempo a la temperatura en el rango fundi-do, disminuye el peligro a la temperatura en el rango fundi-do, disminuye el peligro de dañar el metal, debido a la absorción de gases o cambios de dañar el metal, debido a la absorción de gases o cambios en la composición.en la composición.

DrossingDrossing

La mayoría, no todas las aleaciones de Cu contienen La mayoría, no todas las aleaciones de Cu contienen elementos fácilmente oxidables, tales como Zn, Sn, Al, Mg, elementos fácilmente oxidables, tales como Zn, Sn, Al, Mg, y Mn. Los óxidos se separan más o menos completamente y Mn. Los óxidos se separan más o menos completamente del baño y forman un dross o escoria. En muchos casos, el del baño y forman un dross o escoria. En muchos casos, el óxido tiene una baja gravedad específica y debe esperarse óxido tiene una baja gravedad específica y debe esperarse que flote sobre el baño.que flote sobre el baño.

Sin embargo, la tensión superficial y otros efec-tos Sin embargo, la tensión superficial y otros efec-tos hacen dificultosa la separación en algunas alea-ciones, tales hacen dificultosa la separación en algunas alea-ciones, tales como los latones con alto Zn y bronces al Al. El dross como los latones con alto Zn y bronces al Al. El dross puede luego atrapar considerable metal y causar altas puede luego atrapar considerable metal y causar altas pérdidas de fusión.pérdidas de fusión.

Algunos fundentes o cubiertas de carbón, se Algunos fundentes o cubiertas de carbón, se emplean para minimizar el drossing. Una cubierta de vidrio emplean para minimizar el drossing. Una cubierta de vidrio de botella molido con bórax, es fluida y ayuda a mantener de botella molido con bórax, es fluida y ayuda a mantener limpia la superficie del metal. A menudo, para minimizar la limpia la superficie del metal. A menudo, para minimizar la oxidación, se usa el carbón como una cubierta de oxidación, se usa el carbón como una cubierta de protección.protección.

Pueden adquirirse adecuados fundentes, para limpiar Pueden adquirirse adecuados fundentes, para limpiar el metal de óxidos y prepararlo para el vaciado. el metal de óxidos y prepararlo para el vaciado. Indudablemente, se disminuye el drossing con un mínimo Indudablemente, se disminuye el drossing con un mínimo de agitación y fusión bajo condiciones favorables de de agitación y fusión bajo condiciones favorables de combustión.combustión.

DESGASIFICACION DE LOS BRONCESDESGASIFICACION DE LOS BRONCES

Muy a menudo hay absorción de hidrógeno debido a Muy a menudo hay absorción de hidrógeno debido a varias razones como son el uso de chatarra húmeda, varias razones como son el uso de chatarra húmeda, aceitosa o corroída, o por un contenido demasiado alto de aceitosa o corroída, o por un contenido demasiado alto de vapor de agua en los gases de combustión.vapor de agua en los gases de combustión.

Por lo tanto, si existe alguna duda respecto a la Por lo tanto, si existe alguna duda respecto a la posibilidad de producir piezas porosas, se debe proceder a posibilidad de producir piezas porosas, se debe proceder a la desgasificación ( LOGAS 50).la desgasificación ( LOGAS 50).

OTROS PUNTOS A RECORDAROTROS PUNTOS A RECORDAR

Mantener siempre una atmósfera oxidante en el horno.Mantener siempre una atmósfera oxidante en el horno.

No permitir que el bronce permanezca fundido demasiado No permitir que el bronce permanezca fundido demasiado tiempo. Asegúrese que los moldes estén listos antes de que tiempo. Asegúrese que los moldes estén listos antes de que el metal llegue a la temperatura necesaria.el metal llegue a la temperatura necesaria.

ESPESOR DE SECCIONALEACION

Hasta 13 mm De 13 a 40 mm Más de 40 mm

60-65 %Cu, resto Zn70-80 %Cu, resto Zn

1100 °C1150 °C

1050 °C1100 °C

1020 °C1070 °C

ALEACION ESPESOR DE SECCION

Cu Sn Pb Zn Hasta 13 mm De 13-40 mm Más de 40 mm

90888583

101053

--55

-259

1200 °C1200 °C1200 °C1180 °C

1160 °C1170 °C1150 °C1140 °C

1120 °C1130 °C1120 °C1100 °C

Tabla 9.4.- Temperaturas de colada recomendables, para latones.

Tabla 9.5.- Temperatura de colada recomendable, para bronces.

23

25

Oxígeno en la fusión del CuOxígeno en la fusión del Cu

El Cu como un elemento, es un metal que es El Cu como un elemento, es un metal que es fácilmente oxidable en la condición fundida. Esta fácilmente oxidable en la condición fundida. Esta posibilidad se ilustra en la posibilidad se ilustra en la Figura 9.2Figura 9.2, la cual presenta que , la cual presenta que la solubilidad del oxígeno en el Cu fundido, aumenta la solubilidad del oxígeno en el Cu fundido, aumenta rápidamente con la temperatura por encima de su punto de rápidamente con la temperatura por encima de su punto de fusión.fusión.

El Cu en el estado sólido puede disolver hasta El Cu en el estado sólido puede disolver hasta 0.0035 % O0.0035 % O22, cualquier exceso ocurrirá como Cu, cualquier exceso ocurrirá como Cu22O, de O, de acuerdo a la acuerdo a la Figura 9.2Figura 9.2. De aquí es evidente que la fusión . De aquí es evidente que la fusión del Cu en presencia de oxígeno libre (o un gas oxidante del Cu en presencia de oxígeno libre (o un gas oxidante como el COcomo el CO22) favorece la oxidación o un incremento en el ) favorece la oxidación o un incremento en el

% O% O22 en el Cu fundido en el Cu fundido..

Figura 9.2.- Diagrama de equilibrio Cu-O.

El porcentaje real de oxígeno disuelto, alcanza un El porcentaje real de oxígeno disuelto, alcanza un valor de 0.04 a 0.05% en peso, cuando el Cu puro se funde valor de 0.04 a 0.05% en peso, cuando el Cu puro se funde bajo atmósferas oxidantes.bajo atmósferas oxidantes.

Otro medio de elevar el contenido de oxígeno del Otro medio de elevar el contenido de oxígeno del metal, es cubrir el baño con un fundente oxidante, por metal, es cubrir el baño con un fundente oxidante, por ejemplo, una mezcla de 20 partes de óxido cúprico, 34 ejemplo, una mezcla de 20 partes de óxido cúprico, 34 partes de bórax, y 54 partes de arena.partes de bórax, y 54 partes de arena.

Las aleaciones de Cu contienen, sustancialmente, Las aleaciones de Cu contienen, sustancialmente, menos oxígeno bajo las mismas condiciones de fusión que menos oxígeno bajo las mismas condiciones de fusión que para el Cu puro.para el Cu puro.

La mayoría de los elementos en las aleaciones, por La mayoría de los elementos en las aleaciones, por ejemplo, Zn, Sn, o Al, son desoxidantes a un grado, en que ejemplo, Zn, Sn, o Al, son desoxidantes a un grado, en que ellos pueden formar óxidos más fuertemente que el Cu y de ellos pueden formar óxidos más fuertemente que el Cu y de este modo previene el contenido máximo de oxígeno este modo previene el contenido máximo de oxígeno disuelto que puede alcanzarse.disuelto que puede alcanzarse.

Hidrógeno en la fusión del CuHidrógeno en la fusión del Cu

Como en el caso de las aleaciones de Al, la Como en el caso de las aleaciones de Al, la solubilidad del hidrógeno en el Cu y aleaciones de Cu, solubilidad del hidrógeno en el Cu y aleaciones de Cu, aumentan marcadamente con la temperatura, tal como se aumentan marcadamente con la temperatura, tal como se muestra en la muestra en la Figura 9.3Figura 9.3. En el punto de fusión del Cu, se . En el punto de fusión del Cu, se nota un incremento pronunciado de la solubilidad.nota un incremento pronunciado de la solubilidad.

Figura 9.3.- Solubilidad del hidrógeno en el Cu, Sn, y aleaciones Cu-Sn, relaciona-da a la temperatura a 1 atm de presión. Notar que en el Sn y muchas de las aleaciones están fundidas a lo largo del rango de temperatura del gráfico, mientras el Cu no lo esta.

La La Figura 9.3Figura 9.3, muestra que la solubilidad del , muestra que la solubilidad del hidrógeno es menor en las aleaciones Cu-Sn (bronces), que hidrógeno es menor en las aleaciones Cu-Sn (bronces), que en el Cu puro. La ganancia de hidrógeno por el metal en el Cu puro. La ganancia de hidrógeno por el metal fundido, puede provenir de la atmósfera del horno, humedad fundido, puede provenir de la atmósfera del horno, humedad o aceite en la carga del horno, cucharas, y arenas de moldeo o aceite en la carga del horno, cucharas, y arenas de moldeo y de almas.y de almas.

Sus efectos en el metal son perjudiciales, en vista de Sus efectos en el metal son perjudiciales, en vista de que pueden producir sopladuras y microporosidades. El que pueden producir sopladuras y microporosidades. El hidrógeno disuelto puede añadirse a las dificultades de la hidrógeno disuelto puede añadirse a las dificultades de la contracción dispersada, en vista de que el gas fácilmente se contracción dispersada, en vista de que el gas fácilmente se difundirá a las cavidades, precipitando como burbujas de difundirá a las cavidades, precipitando como burbujas de gas hidrógeno molecular, y previene la alimentación de las gas hidrógeno molecular, y previene la alimentación de las cavidades, desde el riser o áreas adyacentes de la pieza. cavidades, desde el riser o áreas adyacentes de la pieza.

Las sopladuras en una pieza de aleación de Cu, se Las sopladuras en una pieza de aleación de Cu, se ilustran en la ilustran en la Figura 9.4Figura 9.4. La evolución del gas durante la . La evolución del gas durante la solidificación, previene la normal contracción de solidificación, previene la normal contracción de solidificación, mostrada en los risers. En lugar del rechupe, solidificación, mostrada en los risers. En lugar del rechupe, la superficie del riser puede hincharse o exudar, tal como se la superficie del riser puede hincharse o exudar, tal como se muestra en la muestra en la Figura 9.5Figura 9.5..

De este modo, los gases son un factor que producen De este modo, los gases son un factor que producen parte de la diferencia entre la contracción aparente y la parte de la diferencia entre la contracción aparente y la contracción real de las aleaciones.contracción real de las aleaciones.

Figura 9.4.- Sopladuras en la sección de una pieza de aleación de Cu.

Figura 9.5.- Defecto de un riser para presentar rechupe, debido a la evolución de gases durante la solidificación.

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Reacción del oxígeno, hidrógeno, e impurezasReacción del oxígeno, hidrógeno, e impurezas

Dado que el hidrógeno y oxígeno, pueden estar Dado que el hidrógeno y oxígeno, pueden estar presentes en las aleaciones fundidas de Cu, son posibles presentes en las aleaciones fundidas de Cu, son posibles interacciones y puede formarse vapores o vapor de agua. En interacciones y puede formarse vapores o vapor de agua. En efecto, los 2 gases tienen cada uno, un efecto regulador efecto, los 2 gases tienen cada uno, un efecto regulador sobre la solubilidad del otro.sobre la solubilidad del otro.

Si un alto contenido de oxígeno se produce por Si un alto contenido de oxígeno se produce por fundir bajo una atmósfera oxidante o adición al baño de fundir bajo una atmósfera oxidante o adición al baño de CuO sólido, el contenido de hidrógeno del metal se CuO sólido, el contenido de hidrógeno del metal se mantendrá bajo, por la reacción del vapor de agua.mantendrá bajo, por la reacción del vapor de agua.

Por esta razón, muchos fundidores prefieren fundir a Por esta razón, muchos fundidores prefieren fundir a las aleaciones de Cu, bajo atmósferas oxidantes, a fin de las aleaciones de Cu, bajo atmósferas oxidantes, a fin de minimizar la contaminación del baño con el hidrógeno.minimizar la contaminación del baño con el hidrógeno.

La evidencia parece indicar que las atmósferas La evidencia parece indicar que las atmósferas reductoras, conteniendo un alto %CO, promueve la reductoras, conteniendo un alto %CO, promueve la porosidad y deficientes propiedades, aún cuando los gases porosidad y deficientes propiedades, aún cuando los gases disueltos no sean suficientes para producir sopladuras, tales disueltos no sean suficientes para producir sopladuras, tales

como se mostró anteriormente.como se mostró anteriormente.

Otro medio de reducir el contenido de Otro medio de reducir el contenido de hidrógeno de las aleaciones de Cu, durante la hidrógeno de las aleaciones de Cu, durante la fusión, es emplear el purgado o desgasificado del fusión, es emplear el purgado o desgasificado del hidrógeno con el gas nitrógeno, en la forma hidrógeno con el gas nitrógeno, en la forma descrita para las aleaciones de Al.descrita para las aleaciones de Al.

El “flameado” del Zn es otro medio de El “flameado” del Zn es otro medio de reducir el contenido de hidrógeno de los latones reducir el contenido de hidrógeno de los latones amarillos, bronces al Mn, o cualquier aleación de amarillos, bronces al Mn, o cualquier aleación de Cu con alto Zn. El flameado se debe a la relación Cu con alto Zn. El flameado se debe a la relación de la presión de vapor del Zn - temperatura, en de la presión de vapor del Zn - temperatura, en estas aleaciones, como se indica en estas aleaciones, como se indica en Tabla 9.6Tabla 9.6..

Tabla 9.6.- Presión de vapor del Zn en latones fundidos,Tabla 9.6.- Presión de vapor del Zn en latones fundidos,

en mm de Hg.en mm de Hg.

Composición, Cu-ZnTemperatura,°C 60-40 65-35 70-30 80-20900

100011001200

160430980

2000

125330760

1550

90230540

1100

3080180370

El vapor de Zn se destila del latón más fácilmente, a El vapor de Zn se destila del latón más fácilmente, a medida que aumenta la temperatura al punto donde la medida que aumenta la temperatura al punto donde la presión de vapor iguala a la presión barométrica. El vapor presión de vapor iguala a la presión barométrica. El vapor de Zn reacciona con el oxígeno, formando una llama blanca de Zn reacciona con el oxígeno, formando una llama blanca brillante, o “flama”. El flameado se torna más pronunciado brillante, o “flama”. El flameado se torna más pronunciado cuando la temperatura se eleva al punto donde ocurre la cuando la temperatura se eleva al punto donde ocurre la ebullición incipiente.ebullición incipiente.

La La Tabla 9.6Tabla 9.6, indica que esto ocurre en un ran-go de , indica que esto ocurre en un ran-go de temperaturas bastante estrecho, de modo que, a menudo el temperaturas bastante estrecho, de modo que, a menudo el flameado se usa como una medida de la adecuada flameado se usa como una medida de la adecuada temperatura del baño para el vaciado.temperatura del baño para el vaciado.

La formación del vapor de Zn purga al La formación del vapor de Zn purga al hidrógeno y lo reduce a niveles que no presenten hidrógeno y lo reduce a niveles que no presenten severos peligros de defecto por gases. Las pérdidas severos peligros de defecto por gases. Las pérdidas de Zn por el flameado, requieren la adición de 1 a de Zn por el flameado, requieren la adición de 1 a 1.5 %Zn para ajustar la composición.1.5 %Zn para ajustar la composición.

Sin embargo, aún en los latones con alto Zn, Sin embargo, aún en los latones con alto Zn, pueden producirse porosidades por hidrógeno si se pueden producirse porosidades por hidrógeno si se usan una carga sucia, si la fusión ocurre en una usan una carga sucia, si la fusión ocurre en una atmósfera severamente reductora, o si el flameado atmósfera severamente reductora, o si el flameado es impropiamente usado para eliminar el hidrógeno.es impropiamente usado para eliminar el hidrógeno.

Además del hidrógeno, el C y S son impurezas Además del hidrógeno, el C y S son impurezas que forman gases, que pueden estar presentes en las que forman gases, que pueden estar presentes en las aleaciones de Cu. Ellos pueden reaccionar como sigue:aleaciones de Cu. Ellos pueden reaccionar como sigue:

Los productos de reacción gaseosos de las Los productos de reacción gaseosos de las Ecuaciones (1) y (2), pueden causar defectos de Ecuaciones (1) y (2), pueden causar defectos de sopladuras, especialmente, en vista de que estas sopladuras, especialmente, en vista de que estas reacciones ocurren más fácilmente a medida que la reacciones ocurren más fácilmente a medida que la temperatura cae, mientras solidifica la pieza.temperatura cae, mientras solidifica la pieza.

(1)(2))()()(

)()()(

gSOdisueltoOdisueltoS

gCOdisueltoOdisueltoC

22

La solubilidad del C en el Cu es muy baja, La solubilidad del C en el Cu es muy baja, alrededor de 0.004%, de modo que el CO no parece alrededor de 0.004%, de modo que el CO no parece ser una frecuente fuente de gaseado, especialmente, ser una frecuente fuente de gaseado, especialmente, en vista de que el oxígeno necesario para la en vista de que el oxígeno necesario para la reacción (1) puede ser eliminado con la adición de reacción (1) puede ser eliminado con la adición de desoxidantes.desoxidantes.

Considerable S puede estar presente en las Considerable S puede estar presente en las aleaciones de Cu, y es, por lo tanto, considerado aleaciones de Cu, y es, por lo tanto, considerado como una impureza que debe mantenerse debajo de como una impureza que debe mantenerse debajo de ciertos límites, generalmente, debajo de 0.05 a ciertos límites, generalmente, debajo de 0.05 a 0.08%, en la mayoría de aleaciones.0.08%, en la mayoría de aleaciones.

El medio más común de prevenir el gaseado El medio más común de prevenir el gaseado de las reacciones (1) y (2), es reducir el contenido de las reacciones (1) y (2), es reducir el contenido de oxígeno por desoxidación, debajo de un de oxígeno por desoxidación, debajo de un porcentaje que cause que la reacción proceda hacia porcentaje que cause que la reacción proceda hacia la derecha.la derecha.

BEBEDEROBEBEDERO

El factor más importante en el sistema de El factor más importante en el sistema de alimentación, es el tamaño correcto del bebedero. alimentación, es el tamaño correcto del bebedero. Si se selecciona un tamaño incorrecto, o si el Si se selecciona un tamaño incorrecto, o si el bebedero no tiene ahusamiento o éste es invertido, bebedero no tiene ahusamiento o éste es invertido, el daño hecho al metal que ingresa a la cavidad del el daño hecho al metal que ingresa a la cavidad del molde puede ser extenso y difícil de corregir.molde puede ser extenso y difícil de corregir.

En vista de que la mayoría de moldeadores En vista de que la mayoría de moldeadores pueden seleccionar sus propios bebederos, un buen pueden seleccionar sus propios bebederos, un buen supervisor verá que los moldeadores se limiten al supervisor verá que los moldeadores se limiten al uso de bebederos que reúnan los requerimientos de uso de bebederos que reúnan los requerimientos de un flujo de metal no turbulento, dentro del sistema un flujo de metal no turbulento, dentro del sistema de alimentación.de alimentación.

Si no se usa una balsa, el bebedero actúa Si no se usa una balsa, el bebedero actúa como un embudo que entrega metal dentro de la como un embudo que entrega metal dentro de la cavidad del molde. Un bebedero ensanchado cavidad del molde. Un bebedero ensanchado superiormente realizará esto con un mínimo superiormente realizará esto con un mínimo derrame.derrame.

En vista de que la mayoría de moldes de alta En vista de que la mayoría de moldes de alta producción que requieren menos de 30 lbs de peso producción que requieren menos de 30 lbs de peso vaciado, usan cajas de moldeo con una altura del vaciado, usan cajas de moldeo con una altura del semimolde superior o tapa de 4” a 6”, pueden semimolde superior o tapa de 4” a 6”, pueden usarse para todas las aleaciones de cobre, estos usarse para todas las aleaciones de cobre, estos tamaños estándares de bebedero.tamaños estándares de bebedero.

El tercio superior del bebedero es la porción El tercio superior del bebedero es la porción del embudo, que debe tener un diámetro de abertura del embudo, que debe tener un diámetro de abertura de aproximadamente 2”. El resto de la porción del de aproximadamente 2”. El resto de la porción del bebedero debe ahusarse hacia abajo hasta un bebedero debe ahusarse hacia abajo hasta un diámetro de abertura de entre 1/2” a 7/8”, diámetro de abertura de entre 1/2” a 7/8”, dependiendo de la deseada velocidad de vaciado, dependiendo de la deseada velocidad de vaciado, tal como se ilustra en la tal como se ilustra en la Figura 9.14Figura 9.14..

Existen muchos gráficos y fórmulas para Existen muchos gráficos y fórmulas para calcular las dimensiones de un bebedero ahusado calcular las dimensiones de un bebedero ahusado (se excluye al embudo, que puede ser de cualquier (se excluye al embudo, que puede ser de cualquier forma, cortado a mano o más elaborado, forma, cortado a mano o más elaborado, Figura 9.12Figura 9.12).).

Figura 9.14.- Diseño típico de un bebedero para reducir la turbulencia.

Primero, se selecciona la velocidad de Primero, se selecciona la velocidad de vaciado deseada y luego se determina el diámetro vaciado deseada y luego se determina el diámetro de salida del bebedero, de salida del bebedero, Figura 9.15Figura 9.15, basado sobre , basado sobre la altura esperada de metal en el bebedero y la la altura esperada de metal en el bebedero y la balsa. Una vez que se obtiene el diámetro de salida balsa. Una vez que se obtiene el diámetro de salida del bebedero, puede determinarse el adecuado del bebedero, puede determinarse el adecuado diámetro de entrada del bebedero, diámetro de entrada del bebedero, Figura 9.16Figura 9.16..

Las correctas dimensiones del bebedero, Las correctas dimensiones del bebedero, aumentan críticamente a medida que la altura del aumentan críticamente a medida que la altura del bebedero se incrementa por encima de 12”. Para bebedero se incrementa por encima de 12”. Para bebederos pequeños (4” a 6”), es práctica común bebederos pequeños (4” a 6”), es práctica común ahusar el bebedero de 5 a 10° por lado.ahusar el bebedero de 5 a 10° por lado.

Figura 9.15.- Velocidades de flujo de las aleaciones de Cu, enbebederos ahusados, de diversos diámetros y alturas.

.

112

114

Figura 9.16.- Diámetros de entrada y salida, recomendados parabebederos de diversas alturas

ALEACIONES DE COBREALEACIONES DE COBRE

A) Aleaciones Cu-Sn-Pb-ZnA) Aleaciones Cu-Sn-Pb-Zn

B) Latones amarillos al Pb y de alta B) Latones amarillos al Pb y de alta resistenciaresistencia

C) Bronces al AlC) Bronces al Al

D) Aleaciones Cu-SiD) Aleaciones Cu-Si

E) Aleaciones Cu-NiE) Aleaciones Cu-Ni

F) Aleaciones de alta conductividadF) Aleaciones de alta conductividad

A) ALEACIONES Cu-Sn-Pb-ZnA) ALEACIONES Cu-Sn-Pb-Zn

Son las aleaciones más importantes y las mas Son las aleaciones más importantes y las mas usadas de todas las aleaciones fundidas de Cu. usadas de todas las aleaciones fundidas de Cu. Comprenden las siguientes familias:Comprenden las siguientes familias:

Latones rojos al PbLatones rojos al Pb

Latones semi-rojos al PbLatones semi-rojos al Pb

Bronces al SnBronces al Sn

Bronces al Sn al PbBronces al Sn al Pb

Bronces al Sn con alto PbBronces al Sn con alto Pb

Estas familias se interrelacionan, conteniendo Estas familias se interrelacionan, conteniendo por lo menos 2 y usualmente 3 de los elementos por lo menos 2 y usualmente 3 de los elementos aleantes Sn, Pb y Zn en diversas proporciones.aleantes Sn, Pb y Zn en diversas proporciones.

Las relaciones entre estas aleaciones y su Las relaciones entre estas aleaciones y su composición, se observan en la composición, se observan en la Tabla 10.1.Tabla 10.1.

Tabla 10.1.- Tabla 10.1.- Familia de las aleaciones Cu-Sn-Pb-Zn.Familia de las aleaciones Cu-Sn-Pb-Zn.

C90500 (88-10 - 0 - 2)C92600 (87-10 - 1 - 2)C90300 (88 - 8 - 0 - 4) Sn

C92300 (87 - 8 - 1 - 4)C92200 (88 - 6-1.5-4.5)

C83600 (85 - 5 - 5 - 5)

C83800 (83 - 4 - 6 - 7) C93200 (83 - 7 - 7-3)Zn C84400 (81 - 3 - 7 - 9) C93700 (80-10-10-0) Pb

C84800 (76-2.5-1.5-15) C93800 (78 - 7-15-0)C94100 (71 - 6-22-0)

Sn

Zn Pb

x

ALEACION RANGO DE SOLIDIFICACION, °CC83600

C83800, C84400C84800C92200C90300

C92300, C90500C92600C93200C93700C93800

1010 – 8541004 – 843954 – 832988 – 825

1000 – 854999 – 854982 – 843977 – 854930 – 762943 - 854

Tabla 10.2.- Rangos de solidificación de las aleaciones Cu-Sn-Pb-Zn.

METALURGIAMETALURGIAPoseen amplio rango de solidificación, de 89 a 163 Poseen amplio rango de solidificación, de 89 a 163

°C.°C.

Todos solidifican de una manera pastosa Todos solidifican de una manera pastosa (dendrítica).(dendrítica).

Presentan una pronunciada segregación, debido al Presentan una pronunciada segregación, debido al sobreenfriamiento y las condiciones de no sobreenfriamiento y las condiciones de no equilibrio producidas al enfriarse en moldes de equilibrio producidas al enfriarse en moldes de arena, lo que origina una falta de difusión.arena, lo que origina una falta de difusión.

No responden al tratamiento térmico, se usan en No responden al tratamiento térmico, se usan en bruto de colada.bruto de colada.

Las microestructuras dependen de la composición Las microestructuras dependen de la composición química y de la velocidad de enfriamiento.química y de la velocidad de enfriamiento.

Son aleaciones ternarias o cuaternarias, pero debido Son aleaciones ternarias o cuaternarias, pero debido a que el Pb es insoluble en el Cu y tiene poco a que el Pb es insoluble en el Cu y tiene poco efecto sobre el sistema Cu-Sn-Zn, se consideran efecto sobre el sistema Cu-Sn-Zn, se consideran binarias o ternarias.binarias o ternarias.

Cobre-ZincCobre-Zinc

El diagrama de equilibrio Cu-Zn, El diagrama de equilibrio Cu-Zn, Figura Figura 10.110.1, presenta el amplio rango de solubilidad del , presenta el amplio rango de solubilidad del Zn en el Cu, donde hasta 32.5 %Zn solidifica como Zn en el Cu, donde hasta 32.5 %Zn solidifica como una simple fase “alfa” (solución sólida una simple fase “alfa” (solución sólida ).).

Es de esperarse que todas las aleaciones de Es de esperarse que todas las aleaciones de este grupo, que tienen un máximo de 15 %Zn, este grupo, que tienen un máximo de 15 %Zn, presenten una sola fase presenten una sola fase ..

A mayores porcentajes de Zn, encontraremos A mayores porcentajes de Zn, encontraremos una segunda fase intermedia, solución sólida una segunda fase intermedia, solución sólida ..

Figura 10.1.- Diagrama de equilibrio Cu-Zn..

El Zn es un elemento aleante barato, pero El Zn es un elemento aleante barato, pero potente, aumenta la resistencia y dureza al Cu, por potente, aumenta la resistencia y dureza al Cu, por un mecanismo de endurecimiento por solución un mecanismo de endurecimiento por solución sólida.sólida.

Notar que en cantidades de hasta 15 %Zn, Notar que en cantidades de hasta 15 %Zn, produce sólo una ligera disminución de la produce sólo una ligera disminución de la temperatura del “liquidus” y las aleaciones binarias temperatura del “liquidus” y las aleaciones binarias tienen un “estrecho rango de solidificación”.tienen un “estrecho rango de solidificación”.

Cobre-EstañoCobre-Estaño

El Sn, también es un potente endurecedor de El Sn, también es un potente endurecedor de las aleaciones de Cu, aún más que el Zn, ya que las aleaciones de Cu, aún más que el Zn, ya que requiere menor %Sn para aumentar una resistencia requiere menor %Sn para aumentar una resistencia equivalente. A diferencia del Zn, el Sn mejora la equivalente. A diferencia del Zn, el Sn mejora la resistencia a la corrosión.resistencia a la corrosión.

Como se observa en el diagrama de Como se observa en el diagrama de equilibrio Cu-Sn, Figura 10.3, el Sn produce un equilibrio Cu-Sn, Figura 10.3, el Sn produce un efecto bastan-te drástico sobre la temperatura de efecto bastan-te drástico sobre la temperatura de fusión (liquidus) y el rango de solidificación de las fusión (liquidus) y el rango de solidificación de las aleaciones Cu-Sn, cuando se añade en cantidades aleaciones Cu-Sn, cuando se añade en cantidades de hasta 10% (cantidad límite para las aleaciones de hasta 10% (cantidad límite para las aleaciones de este grupo).de este grupo).

Figura 10.3.- Diagrama de equilibrio Cu-Sn.

Dentro del rango de composición de las Dentro del rango de composición de las aleaciones, estas solidifican en una sola fase, solu-aleaciones, estas solidifican en una sola fase, solu-ción sólida ción sólida , análoga a la del sistema Cu-Zn., análoga a la del sistema Cu-Zn.

Sin embargo, debido al amplio rango de Sin embargo, debido al amplio rango de solidi-ficación de las aleaciones Cu-Sn, junto con solidi-ficación de las aleaciones Cu-Sn, junto con un pro-nunciado sobreenfriamiento y lenta un pro-nunciado sobreenfriamiento y lenta difusión, se originará una considerable segregación difusión, se originará una considerable segregación durante la solidificación. Esto origina que existan durante la solidificación. Esto origina que existan altos gra-dientes de composición dentro de los altos gra-dientes de composición dentro de los cristales de cristales de , en donde las zonas centrales son , en donde las zonas centrales son ricas en Cu, rodea-das por zonas ricas en Sn, este ricas en Cu, rodea-das por zonas ricas en Sn, este fenómeno ocurre, comúnmente, en las estructuras fenómeno ocurre, comúnmente, en las estructuras de bruto de colada.de bruto de colada.

Cobre-PlomoCobre-Plomo

En la En la Figura 10.4Figura 10.4 puede verse que el Pb, aún puede verse que el Pb, aún cuando es continuamente soluble en el Cu fundido, cuando es continuamente soluble en el Cu fundido, es virtualmente insoluble en el estado sólido (su es virtualmente insoluble en el estado sólido (su solubilidad es menor que 0.005% en el Cu sólido).solubilidad es menor que 0.005% en el Cu sólido).

En el extremo del diagrama rico en Cu, la En el extremo del diagrama rico en Cu, la solidificación de la aleación comienza con la solidificación de la aleación comienza con la cristalización del Cu, esencialmente puro, a medida cristalización del Cu, esencialmente puro, a medida que la temperatura cae por debajo del liquidus.que la temperatura cae por debajo del liquidus.

Figura 10.4.- Diagrama de equilibrio Cu-Pb..

Conforme continua la solidificación a través Conforme continua la solidificación a través del rango liquidus-solidus, se produce el adicional del rango liquidus-solidus, se produce el adicional crecimiento de los cristales de Cu, mientras que el crecimiento de los cristales de Cu, mientras que el liquido remanente aumenta en contenido de Pb, liquido remanente aumenta en contenido de Pb, alcanzando un valor de 41% a la temperatura alcanzando un valor de 41% a la temperatura monotéctica de 953 °C.monotéctica de 953 °C.

A la temperatura monotéctica, se produce la A la temperatura monotéctica, se produce la adicional precipitación de Cu desde el baño, adicional precipitación de Cu desde el baño, isotérmicamente, hasta que el líquido, eventual-isotérmicamente, hasta que el líquido, eventual-mente alcance una composición de 92.6% Pb. mente alcance una composición de 92.6% Pb. Luego, el enfriamiento prosigue produciéndose un Luego, el enfriamiento prosigue produciéndose un pequeño cambio hasta 326 °C, solidificando el pequeño cambio hasta 326 °C, solidificando el líquido residual como Pb, esencialmente, puro.líquido residual como Pb, esencialmente, puro.

Es importante notar los efectos del modo de Es importante notar los efectos del modo de solidificación sobre la forma y distribución de la solidificación sobre la forma y distribución de la fase Pb en las aleaciones.fase Pb en las aleaciones.

Como puede verse en el diagrama de Como puede verse en el diagrama de equilibrio de fases, las aleaciones bajas en equilibrio de fases, las aleaciones bajas en contenido de Pb (es decir, de 1 a 7% Pb) tienen contenido de Pb (es decir, de 1 a 7% Pb) tienen rangos de solidificación relativamente amplios y, rangos de solidificación relativamente amplios y, por lo tanto, solidifican en una manera dendrítica, por lo tanto, solidifican en una manera dendrítica, pastosa. Al momento que la temperatura pastosa. Al momento que la temperatura monotéctica es alcanzada, la solidificación se monotéctica es alcanzada, la solidificación se completa en un 85% y el Pb residual es atrapado completa en un 85% y el Pb residual es atrapado entre los brazos de las dendritas, donde entre los brazos de las dendritas, donde eventualmente solidifica.eventualmente solidifica.

Una situación comparable existe con las Una situación comparable existe con las aleaciones de Cu-Sn-Pb-Zn, de amplio rango de aleaciones de Cu-Sn-Pb-Zn, de amplio rango de solidificación, de bajo contenido de Pb.solidificación, de bajo contenido de Pb.

Este comportamiento es ventajoso, en vista Este comportamiento es ventajoso, en vista de que las partículas de Pb tienden a aislarse en las de que las partículas de Pb tienden a aislarse en las mismas posiciones donde se producen los huecos mismas posiciones donde se producen los huecos de los microrechupes, en tales aleaciones.de los microrechupes, en tales aleaciones.

Esto explica la efectividad del Pb en Esto explica la efectividad del Pb en promover la resistencia a las presiones en estas promover la resistencia a las presiones en estas aleaciones.aleaciones.

El Pb también interrumpe la continuidad de El Pb también interrumpe la continuidad de la estructura de la matriz de la aleación y, de este la estructura de la matriz de la aleación y, de este modo, pequeñas cantidades de Pb cuando están modo, pequeñas cantidades de Pb cuando están bien distribuidas, pueden servir como un lubricante bien distribuidas, pueden servir como un lubricante y como “rompedor de virutas”, mejorando la y como “rompedor de virutas”, mejorando la maquinabilidad.maquinabilidad.

A altos contenidos de Pb, con aleaciones de A altos contenidos de Pb, con aleaciones de rangos de solidificación algo estrechos, puede rangos de solidificación algo estrechos, puede ocurrir una segregación por gravedad bastante ocurrir una segregación por gravedad bastante marcada, especialmente, bajo condiciones de lento marcada, especialmente, bajo condiciones de lento enfriamiento.enfriamiento.

APLICACIONES GENERALESAPLICACIONES GENERALES

Las piezas fundidas de las diversas familias Las piezas fundidas de las diversas familias incluidas en el grupo de aleaciones Cu-Sn-Pb-Zn, incluidas en el grupo de aleaciones Cu-Sn-Pb-Zn, constituyen más de las 3/4 partes de la producción constituyen más de las 3/4 partes de la producción anual de las aleaciones fundidas de aleaciones de anual de las aleaciones fundidas de aleaciones de cobre.cobre.

La aleación C83600, constituye el “eje” del La aleación C83600, constituye el “eje” del grupo completo, se usa en válvulas, accesorios de grupo completo, se usa en válvulas, accesorios de tuberías, bombas de agua, carcazas e impulsores, tuberías, bombas de agua, carcazas e impulsores, pequeños engranajes, grifería de alta calidad, pequeños engranajes, grifería de alta calidad, estatuas y placas.estatuas y placas.

Estas aplicaciones son posibles debido a la Estas aplicaciones son posibles debido a la resistencia a la corrosión, maquinabilidad, resistencia a la corrosión, maquinabilidad, resistencia, propiedades antifricción, color y resistencia, propiedades antifricción, color y excelente colabilidad de la aleación.excelente colabilidad de la aleación.

Latones rojos y semi-rojos al plomoLatones rojos y semi-rojos al plomo

Aleación C83800 (83-4-6-7)Aleación C83800 (83-4-6-7), encuentra , encuentra aplicación donde algo de baja resistencia mecánica aplicación donde algo de baja resistencia mecánica es aceptable (válvulas de baja presión, accesorios y es aceptable (válvulas de baja presión, accesorios y componentes de bombas).componentes de bombas).

Aleación C84400 (81-3-7-9) y C84800 (76-2.5-Aleación C84400 (81-3-7-9) y C84800 (76-2.5-6.5-15)6.5-15), son las aleaciones de trabajo pesado que , son las aleaciones de trabajo pesado que comprenden el mayor tonelaje de las piezas comprenden el mayor tonelaje de las piezas comerciales de grifería, llaves, grifos y ciertas comerciales de grifería, llaves, grifos y ciertas válvulas de baja presión.válvulas de baja presión.

Bronces al estaño con alto plomoBronces al estaño con alto plomo

Aleación C93200 (83-7-7-3)Aleación C93200 (83-7-7-3), es la aleación de , es la aleación de utilidad general de esta familia y encuentra uso en utilidad general de esta familia y encuentra uso en cojinetes en general y bocinas. Es la aleación más cojinetes en general y bocinas. Es la aleación más usada ampliamente para producir bocinas por usada ampliamente para producir bocinas por colada continua.colada continua.

Aleación C93700 (80-10-10-0)Aleación C93700 (80-10-10-0), a causa de su alto , a causa de su alto contenido de Sn y Pb, es adecuado para cojinetes contenido de Sn y Pb, es adecuado para cojinetes que impliquen alta velocidad y grandes presiones, que impliquen alta velocidad y grandes presiones, lo mismo que en bombas e impulsores y partes que lo mismo que en bombas e impulsores y partes que requieran resistencia a la corrosión y resistencia.requieran resistencia a la corrosión y resistencia.

Aleación C93800 (78-7-15-0)Aleación C93800 (78-7-15-0), es, también, usado , es, también, usado en cojinetes grandes, sin embargo para menos en cojinetes grandes, sin embargo para menos demandas de servicio que involucran solamente demandas de servicio que involucran solamente moderadas presiones. Además, el material es, moderadas presiones. Además, el material es, comúnmente, usado para partes de bombas en comúnmente, usado para partes de bombas en aguas ácidas de mina. aguas ácidas de mina.

Bronces al estaño (con y sin plomo)Bronces al estaño (con y sin plomo)

Aleación C92200 (88-6-1.5-4.5)Aleación C92200 (88-6-1.5-4.5), comúnmente, es , comúnmente, es usado para válvulas de alta calidad, accesorios y usado para válvulas de alta calidad, accesorios y otros recipientes a presión, que operan a otros recipientes a presión, que operan a temperaturas de hasta 290 °C.temperaturas de hasta 290 °C.

Las otras 4 aleaciones de esta familia tienen Las otras 4 aleaciones de esta familia tienen ex-celente resistencia al desgaste y a la corrosión y ex-celente resistencia al desgaste y a la corrosión y son, usualmente, especificadas para usarse en coji-son, usualmente, especificadas para usarse en coji-netes especiales, partes de bombas, engranajes y ac-netes especiales, partes de bombas, engranajes y ac-cesorios. De estas aleaciones, las aleaciones cesorios. De estas aleaciones, las aleaciones C92300 (87-8-1-4) y C90300 (88-8-0-4) difieren C92300 (87-8-1-4) y C90300 (88-8-0-4) difieren sólo en el %Pb, la 1ra. tiene mejor maquinabilidad.sólo en el %Pb, la 1ra. tiene mejor maquinabilidad.

La misma diferencia en el análisis distingue La misma diferencia en el análisis distingue a las aleaciones C92600 (87-10-1-2) y C90500 (88-a las aleaciones C92600 (87-10-1-2) y C90500 (88-10-0-2), el material al Pb será más fácil de 10-0-2), el material al Pb será más fácil de maquinar. maquinar.

BRONCE FOSFOROSOBRONCE FOSFOROSO

Bronce al Sn con 0.3% P, aleación C90700, Bronce al Sn con 0.3% P, aleación C90700, SAE 65, usado principalmente, para bocinas. El P SAE 65, usado principalmente, para bocinas. El P eleva la dureza del bronce debido a la formación de eleva la dureza del bronce debido a la formación de partículas duras, dispersadas uniformemente, de partículas duras, dispersadas uniformemente, de fosfuro de cobre Cufosfuro de cobre Cu33P, el cual le da excelentes pro-P, el cual le da excelentes pro-

piedades antifricción y soportan las deformaciones, piedades antifricción y soportan las deformaciones, además son duras para resistir el rápido desgaste.además son duras para resistir el rápido desgaste.

FUNDICION GRISFUNDICION GRIS

LA FAMILIA DE LOS FIERROS LA FAMILIA DE LOS FIERROS FUNDIDOSFUNDIDOS

Los fierros fundidos son el mayor Los fierros fundidos son el mayor tonelaje producido por la industria de la tonelaje producido por la industria de la fundición.fundición.

La demanda por las piezas de fierro La demanda por las piezas de fierro fundido, está basada en la naturaleza de los fundido, está basada en la naturaleza de los fierros fundidos como materiales de fierros fundidos como materiales de ingeniería y sus ventajas económicas.ingeniería y sus ventajas económicas.

Los fierros fundidos ofrecen un gran rango de Los fierros fundidos ofrecen un gran rango de propiedades de resistencia, dureza, maquinabilidad, propiedades de resistencia, dureza, maquinabilidad, resistencia al desgaste, resistencia a la abrasión, resistencia al desgaste, resistencia a la abrasión, resistencia a la corrosión y otras propiedades.resistencia a la corrosión y otras propiedades.

Además, sus propiedades de fundición, en tér-Además, sus propiedades de fundición, en tér-minos de rendimiento, fluidez, contracción, solidez minos de rendimiento, fluidez, contracción, solidez de la pieza, facilidad de producción y otras propie-de la pieza, facilidad de producción y otras propie-dades, los hacen muy deseables para la fundición.dades, los hacen muy deseables para la fundición.

Desde todo punto de vista, esta familia, Desde todo punto de vista, esta familia, ofrecen una variedad de propiedades de ingeniería ofrecen una variedad de propiedades de ingeniería que aseguran su continuo y amplio uso.que aseguran su continuo y amplio uso.

DEFINICIONESDEFINICIONES

El término fierro fundido es genérico, se El término fierro fundido es genérico, se refiere a una familia de materiales que difieren refiere a una familia de materiales que difieren amplia-mente es sus propiedades. En general, un amplia-mente es sus propiedades. En general, un fierro fundido es una aleación de fierro, carbono fierro fundido es una aleación de fierro, carbono (hasta 4.0%), y silicio (hasta 3.5%), que (hasta 4.0%), y silicio (hasta 3.5%), que ordinariamente no es útilmente maleable en bruto ordinariamente no es útilmente maleable en bruto de colada.de colada.

Fundición gris.-Fundición gris.- Un fierro que tiene una Un fierro que tiene una composición química tal que después de la composición química tal que después de la solidificación, una gran porción de su carbono es solidificación, una gran porción de su carbono es distribuido en toda la pieza como carbono libre o distribuido en toda la pieza como carbono libre o grafito en “forma de láminas”.grafito en “forma de láminas”.

La fundición gris también presenta una La fundición gris también presenta una superficie gris hollinada cuando se fractura. superficie gris hollinada cuando se fractura. Figuras 11.1,11.2,11.3 y 11.4Figuras 11.1,11.2,11.3 y 11.4..

Figura 11.1.- Microestructura de una fundición gris hipereutéctica. Se observan largas laminas de grafito hipereutéctico. La probeta estaba pulida, pero sin atacar, a 60 X.

Figura 11.2.- Láminas de grafito de una fundición gris hipo-eutéctica. La probeta estaba pulida sin atacar, a 100 X.

Figura 11.4.- Microestructura de una fundición gris hipoeutéctica. Se observan láminas de grafito (negras) sobre un fondo de perlita (oscuro). Aparece algo de ferrita (blanca) junto a las laminas de grafito. A 200 X.

Figura 11.3.- Fundición gris ferrítica. Láminas de grafito sobre un fondo blanco de cristales de ferrita. A 200 X.

Fundición blanca.-Fundición blanca.- Un fierro que tiene una Un fierro que tiene una composición química tal que después de la composición química tal que después de la solidificación, su C esta presente en una forma solidificación, su C esta presente en una forma combinada químicamente como cementita (carburo combinada químicamente como cementita (carburo de fierro). de fierro). Figuras 11.5, 11.6, 11.7 y 11.8Figuras 11.5, 11.6, 11.7 y 11.8. .

Figura 11.5.- Microestructura de una fundición blanca: las áreas blancas son carburos masivos; las áreas oscuras son la perlita. 31 Rockwell C. Atacada con Nital, a 150 X.

Figura 11.6.- Microestructura de una fundición blanca hipereutéctica. Se observan importantes masas de cementita hipereutectica. También se observan agrupaciones pseudoeutécticas derivadas de la ledeburita que estan constituidas por pequeñas partículas negras de perlita sobre un fondo blanco de cementita.

La fundición blanca presenta una superficie La fundición blanca presenta una superficie blanca cristalina cuando se fractura, probeta de la blanca cristalina cuando se fractura, probeta de la derecha de la derecha de la Figura 11.7Figura 11.7..

Figura 11.7.- Ensayo del bebedero. El bebedero a la izquierda muestra una fractura gris, característica de un Fe de alto C al inicio de la colada. La descarburización del Fe produce un cambio de gris a atruchado o blanco en los ensayos de fractura del bebedero, a medida que el %C del Fe decrece.

Fundición atruchada.-Fundición atruchada.- Un fierro de composición Un fierro de composición intermedia que solidifica parcialmente como una intermedia que solidifica parcialmente como una fundición blanca y parcialmente como una fundición blanca y parcialmente como una fundición gris, bajo condiciones predominantes de fundición gris, bajo condiciones predominantes de enfriamiento. enfriamiento. Figuras 11.7 y 11.9Figuras 11.7 y 11.9..

Fundición achilada.-Fundición achilada.- Un fierro de composición tal Un fierro de composición tal que normalmente solidificará como una fundición que normalmente solidificará como una fundición gris, sin embargo solidifica como fundición blanca gris, sin embargo solidifica como fundición blanca en algunas zonas, por un rápido enfriamiento en algunas zonas, por un rápido enfriamiento durante la solidificación, es decir achilado.durante la solidificación, es decir achilado.

Figura 11.9.- Fundición atruchada. En la zona izquierda y superior se observa la microestructura correspondiente a la fundición gris con láminas de grafito. En la zona derecha e inferior la microestructura es de fundición blanca con cementita libre. A 100 X.

Figura 11.8.- Microestructura de una fundición blanca. Se observan los agrupamientos pseudoeutécticos de pequeñas partículas de perlita (negro), sobre un fondo de cementita (blanco). Estas agrupaciones se derivan de la ledeburita eutéctica. Las grandes masas negras son de perlita. A 200 X.

Las superficies fracturadas de las fundiciones Las superficies fracturadas de las fundiciones achiladas, tienen áreas de fundición blanca donde la achiladas, tienen áreas de fundición blanca donde la solidificación fue rápida y otras áreas de fundición solidificación fue rápida y otras áreas de fundición gris donde la velocidad de enfriamiento fue normal.gris donde la velocidad de enfriamiento fue normal.

La apariencia de superficies fracturadas de La apariencia de superficies fracturadas de fundiciones achiladas, se ilustra en la fundiciones achiladas, se ilustra en la Fig. 11.26.Fig. 11.26.

Fundición maleable.-Fundición maleable.- Un Fe con ductilidad o ma- Un Fe con ductilidad o ma-leabilidad, producido por tratamiento térmico a par-leabilidad, producido por tratamiento térmico a par-tir de una fundición blanca de adecuada composi-tir de una fundición blanca de adecuada composi-ción química. El C en la fundición maleable, se pre-ción química. El C en la fundición maleable, se pre-senta en forma de nódulos o agregados de grafito.senta en forma de nódulos o agregados de grafito.

Figura 11.26.-Figura 11.26.- Superficie fracturada de una pieza de un fierro Superficie fracturada de una pieza de un fierro fundido achilado. La superficie superior de la figura fue achilada con fundido achilado. La superficie superior de la figura fue achilada con un bloque metálico.un bloque metálico...

Figura 11.10.- Microes-tructura de una fundición maleable standard: ferrita y grafito, 125 HB. Ataca-da con Nital, a 150 X.

Fundición nodular.-Fundición nodular.- Conocido como fundición Conocido como fundición dúctil o de grafito esferoidal. Un Fe tratado espe-dúctil o de grafito esferoidal. Un Fe tratado espe-cialmente tratado en la condición fundida con un cialmente tratado en la condición fundida con un pequeño %Mg, %Ce, u otros agentes que producen pequeño %Mg, %Ce, u otros agentes que producen que una gran proporción de su C ocurran como que una gran proporción de su C ocurran como esferoides de grafito, antes que como láminas.esferoides de grafito, antes que como láminas.

La ductilidad se obtiene en el Fe como La ductilidad se obtiene en el Fe como resultado del tipo esferoidal de grafito formado. resultado del tipo esferoidal de grafito formado. Este tipo de fierro fundido presenta una superficie Este tipo de fierro fundido presenta una superficie brillante acerada cuando se fractura.brillante acerada cuando se fractura.

Figura 11.11.- Microestructura típica, en bruto de colada, de una fundición nodular, que presenta los esferoides de grafito rodeados por ferrita. La estructura lamelar, oscura, en la matriz es perlita. Atacada, a 250 X.

Figura 11.12.- Grafito esferoidal (negro), sobre un fondo de perlita y ferrita, en una “fundición dúctil”, fabricada con adición de Mg. A 200 X.

Figura 11.13.- Algunas microestructuras típicas de las fundiciones de uso más frecuente.

Las definiciones dadas sugieren ciertos Las definiciones dadas sugieren ciertos factores de principal importancia que controlan la factores de principal importancia que controlan la naturaleza de los fierros fundidos.naturaleza de los fierros fundidos.

Estos son composición química, proceso de Estos son composición química, proceso de solidificación, velocidad de enfriamiento, y solidificación, velocidad de enfriamiento, y microestructura.microestructura.

También, hay un número de otros factores, También, hay un número de otros factores, sin embargo los mencionados son los de mayor sin embargo los mencionados son los de mayor importancia.importancia.

COMPOSICION QUIMICACOMPOSICION QUIMICA

Los amplios límites de composición química Los amplios límites de composición química de algunos fierros fundidos, se dan en la de algunos fierros fundidos, se dan en la Tabla Tabla 11.111.1. Los rangos de composición con respecto al . Los rangos de composición con respecto al carbono y silicio, se ilustran en la carbono y silicio, se ilustran en la Figura 11.14Figura 11.14..

La figura presenta que aún cuando los La figura presenta que aún cuando los términos de “fundición gris” y “fundición blanca” términos de “fundición gris” y “fundición blanca” son generales, ellos se refieren a un número de son generales, ellos se refieren a un número de aleaciones que caen dentro de los amplios límites aleaciones que caen dentro de los amplios límites de composición.de composición.

Tabla 11.1.-Tabla 11.1.- Composición química de los fierros fundidos. Composición química de los fierros fundidos.

Figura 11.14.-Figura 11.14.- Rangos de Rangos de %C y %Si, presentes en los %C y %Si, presentes en los fierros fundidos.fierros fundidos.

Dentro de los límites amplios ocurren un Dentro de los límites amplios ocurren un número de fierros fundidos con límites de número de fierros fundidos con límites de composición más estrechos y diferentes composición más estrechos y diferentes propiedades.propiedades.

Composiciones químicas típicas, especifica-Composiciones químicas típicas, especifica-ciones, y usos de unos pocos fierros fundidos ciones, y usos de unos pocos fierros fundidos comerciales, se dan en la comerciales, se dan en la Tabla 11.2Tabla 11.2..

Tabla 11.2.-Tabla 11.2.- Típicas composiciones químicas, de unos pocos fierros Típicas composiciones químicas, de unos pocos fierros fundidos comerciales.fundidos comerciales.

Fundición blancaFundición blanca

El principal uso de la fundición blanca es El principal uso de la fundición blanca es para la manufactura de las piezas de fundición para la manufactura de las piezas de fundición maleable. Las fundiciones blancas para este uso y maleable. Las fundiciones blancas para este uso y el proceso de maleabilización, serán tratados el proceso de maleabilización, serán tratados posteriormente. posteriormente.

Sin embargo, algunas piezas de fundición Sin embargo, algunas piezas de fundición blanca son usadas como tales, debido a la alta blanca son usadas como tales, debido a la alta dureza del material. Estas propiedades están dureza del material. Estas propiedades están relacionadas a su microestructura, que consiste de relacionadas a su microestructura, que consiste de perlita y un gran porcentaje de carburo de Fe.perlita y un gran porcentaje de carburo de Fe.

Una dureza de 350 a 550 HB y más, puede Una dureza de 350 a 550 HB y más, puede presentarse en las fundiciones blancas.presentarse en las fundiciones blancas.

La resistencia a la abrasión que acompaña a La resistencia a la abrasión que acompaña a esta dureza, es usada ventajosamente en placas de esta dureza, es usada ventajosamente en placas de molino pulverizador, molino de tambor y molino pulverizador, molino de tambor y aplicaciones similares.aplicaciones similares.

El uso más común del tipo de El uso más común del tipo de microestructura de fundición blanca resistente a la microestructura de fundición blanca resistente a la abrasión, se hace en piezas de fundición achilada.abrasión, se hace en piezas de fundición achilada.

Fundición achiladaFundición achilada

Cuando la resistencia al desgaste abrasivo de Cuando la resistencia al desgaste abrasivo de una fundición blanca es deseado en superficies que una fundición blanca es deseado en superficies que se desgastan, a menudo se emplean piezas de se desgastan, a menudo se emplean piezas de fundición achilada. Ruedas de vagones de fundición achilada. Ruedas de vagones de ferrocarril, rodillos para moler granos, chancado de ferrocarril, rodillos para moler granos, chancado de minerales y rodillos de laminación, son ejemplos de minerales y rodillos de laminación, son ejemplos de aplicaciones de piezas de fundiciones achiladas. aplicaciones de piezas de fundiciones achiladas. Aproximadamente, se han producido anualmente 2 Aproximadamente, se han producido anualmente 2 millones de ruedas de vagones de ferrocarril.millones de ruedas de vagones de ferrocarril.

La superficie fracturada de una pieza de La superficie fracturada de una pieza de fundición achilada, se presenta en la fundición achilada, se presenta en la Figura 11.26Figura 11.26. .

Figura 11.26.-Figura 11.26.- Superficie fracturada de una pieza de un fierro Superficie fracturada de una pieza de un fierro fundido achilado. La superficie superior de la figura fue achilada con fundido achilado. La superficie superior de la figura fue achilada con un bloque metálico.un bloque metálico...

FUNDICION NODULARFUNDICION NODULAREl desarrollo del primer proceso para la El desarrollo del primer proceso para la

producción de la fundición nodular, fue introducido producción de la fundición nodular, fue introducido por H. Morrogh de la Asociación Británica de por H. Morrogh de la Asociación Británica de Investigación del Fierro Fundido (B.C.I.R.A.), en Investigación del Fierro Fundido (B.C.I.R.A.), en Julio de 1946.Julio de 1946.

El agente nodulizante que produjo el grafito El agente nodulizante que produjo el grafito en forma nodular o esferoidal fue el Ce; sin en forma nodular o esferoidal fue el Ce; sin embargo, debido a los graves problemas de control embargo, debido a los graves problemas de control y al alto costo, este proceso nunca se usó y al alto costo, este proceso nunca se usó ampliamente.ampliamente.

Durante la II Guerra Mundial, cuando había Durante la II Guerra Mundial, cuando había poca disponibilidad de Ce, la Cia. Internacional del poca disponibilidad de Ce, la Cia. Internacional del Ni (I.N.C.O.) ensayó sustituir el Ce por el Mg, co-Ni (I.N.C.O.) ensayó sustituir el Ce por el Mg, co-mo un estabilizador de carburos en la fundición gris mo un estabilizador de carburos en la fundición gris y en el Ni-Hard; sin embargo, debido a la violenta y en el Ni-Hard; sin embargo, debido a la violenta reacción del Mg con el Fe fundido, no fue posible reacción del Mg con el Fe fundido, no fue posible aañadir directamenteñadir directamente Mg, reduciéndose la reacción Mg, reduciéndose la reacción violenta, usando aleaciones de Mg-Cu y Mg-Ni.violenta, usando aleaciones de Mg-Cu y Mg-Ni.

El Fe fundido obtenido poseía alta resistencia El Fe fundido obtenido poseía alta resistencia y un grado de ductilidad; la microestructura de este y un grado de ductilidad; la microestructura de este material reveló la presencia del grafito en forma material reveló la presencia del grafito en forma nodular.nodular.

Luego de nuevas mejoras, en Marzo de 1947, Luego de nuevas mejoras, en Marzo de 1947, se introdujo el proceso de la fundición nodular con se introdujo el proceso de la fundición nodular con Mg. Este material consiste de una matriz de acero Mg. Este material consiste de una matriz de acero poblada con grafito esferoidal.poblada con grafito esferoidal.

La fundición nodular tiene un admirable La fundición nodular tiene un admirable rango de propiedades que ningún otro metal simple rango de propiedades que ningún otro metal simple puede igualar.puede igualar.

Las piezas fundidas de fundición nodular Las piezas fundidas de fundición nodular pueden producirse en secciones tan delgadas como pueden producirse en secciones tan delgadas como 1/16”, pesando algunos gramos hasta secciones 1/16”, pesando algunos gramos hasta secciones superiores a 30” que pesan más de 50 ton.superiores a 30” que pesan más de 50 ton.

La fundición nodular posee la excelente La fundición nodular posee la excelente colabilidad de la fundición gris combinada con colabilidad de la fundición gris combinada con mucho de la resistencia y ductilidad del acero.mucho de la resistencia y ductilidad del acero.

La matriz de Fe puede controlarse variando La matriz de Fe puede controlarse variando la composición, velocidad de enfriamiento en el la composición, velocidad de enfriamiento en el molde y tratamientos térmicos, para producir molde y tratamientos térmicos, para producir resistencias a la tracción mínimas de 42 Kg/mmresistencias a la tracción mínimas de 42 Kg/mm22 con elongaciones de hasta 25% y resistencias a la con elongaciones de hasta 25% y resistencias a la tracción de 105 Kg/mmtracción de 105 Kg/mm22 con elongaciones de 1 a con elongaciones de 1 a 4%.4%.

Las piezas fundidas de fundición nodular Las piezas fundidas de fundición nodular conti-núan introduciéndose en el mercado a conti-núan introduciéndose en el mercado a expensas de las piezas de fundición maleable expensas de las piezas de fundición maleable perlítica o ferrítica, piezas de acero forjadas o perlítica o ferrítica, piezas de acero forjadas o soldadas. La fundición nodular tiene un mercado soldadas. La fundición nodular tiene un mercado comprobado en la industria automotriz, equipos de comprobado en la industria automotriz, equipos de agricultura, máquinas herramienta, construcción de agricultura, máquinas herramienta, construcción de equipos, piezas de la industria minera, motores equipos, piezas de la industria minera, motores Diesel, etc.Diesel, etc.

En el Perú, la fundición nodular se introdujo En el Perú, la fundición nodular se introdujo a inicio de los 70 y desde entonces ha aumentado el a inicio de los 70 y desde entonces ha aumentado el tonelaje producido, reemplazando piezas de otras tonelaje producido, reemplazando piezas de otras aleaciones, principalmente de aceros ordinarios.aleaciones, principalmente de aceros ordinarios.

Figura 13.1.- Ejemplos de la aplicación de piezas fundidas de fundición nodular. (a) Carcaza de motor para la U.S. Naval, hecha de fundición nodular 60-40-15, debido a su alta resistencia al impacto por explosión. (b) Eje compensador del brazo para camiones de servicio pesado, producido en fundición nodular normalizada, seleccionada para reemplazar una pieza forjada de acero.

Figura 13.1.- (c) Sección de un pistón de motor diesel, producido de fundición nodular. (d) Cigüeñal de automóvil, de fundición nodular moldeada en cáscara.

Figura 13.1.- (e) Pieza de una válvula de aire caliente para avión Caravelle. La fundición nodular contiene Ni, Cr y Mo, seleccionado para la necesaria resistencia en caliente. (f) Fundición nodular aleada, usada para un rodillo de acabado en ángulo, de 2 1/2” x 2 1/2”.

La manufactura del Fe fundido es una La manufactura del Fe fundido es una industria muy antigua que data desde hace 2000 industria muy antigua que data desde hace 2000 años. La fundición gris en su forma convencional años. La fundición gris en su forma convencional es, esencialmente, una aleación Fe-C-Si, que es, esencialmente, una aleación Fe-C-Si, que consiste de láminas de grafito en una matriz consiste de láminas de grafito en una matriz semejante a la del acero.semejante a la del acero.

La fundición gris es un material frágil que La fundición gris es un material frágil que tiene poca o ninguna ductilidad; es, normalmente, tiene poca o ninguna ductilidad; es, normalmente, blanda y maquinable con una relativa baja blanda y maquinable con una relativa baja resistencia a la tracción, en la forma no aleada.resistencia a la tracción, en la forma no aleada.

La fundición maleable de corazón blanco y La fundición maleable de corazón blanco y la de corazón negro, fueron desarrolladas en el la de corazón negro, fueron desarrolladas en el siglo XVIII y XIX, respectivamente.siglo XVIII y XIX, respectivamente.

Estos materiales se produjeron, Estos materiales se produjeron, originalmente del arrabio fundido bajo condiciones originalmente del arrabio fundido bajo condiciones oxidantes en un horno de reverbero, obteniéndose oxidantes en un horno de reverbero, obteniéndose una fundición blanca o con carburos, sin láminas de una fundición blanca o con carburos, sin láminas de grafito, bajo en C y bajo en Si.grafito, bajo en C y bajo en Si.

Las piezas fundidas de fundición blanca se Las piezas fundidas de fundición blanca se empaquetan con mineral de Fe y se someten a un empaquetan con mineral de Fe y se someten a un tratamiento térmico muy largo.tratamiento térmico muy largo.

El producto final fue un material blando y El producto final fue un material blando y dúctil que ahora conocemos como fundición dúctil que ahora conocemos como fundición maleable. El cambio de la fundición blanca frágil, maleable. El cambio de la fundición blanca frágil, se debió a la precipitación del C a partir del Fese debió a la precipitación del C a partir del Fe33C, C,

en colonias de grafito en una matriz de Fe.en colonias de grafito en una matriz de Fe.

La fundición nodular fue descubierta La fundición nodular fue descubierta independientemente por la British Cast Iron independientemente por la British Cast Iron Research Association (B.C.I.R.A.) y la Research Association (B.C.I.R.A.) y la International Nickel Company (I.N.C.O.). Este International Nickel Company (I.N.C.O.). Este material consiste de esferoides de grafito material consiste de esferoides de grafito dispersados en una matriz similar a la del acero.dispersados en una matriz similar a la del acero.

El proceso BCIRA consiste de una adición El proceso BCIRA consiste de una adición de Ce a un fierro fundido hipereutéctico, de de Ce a un fierro fundido hipereutéctico, de composición similar a la de la fundición gris. El Ce composición similar a la de la fundición gris. El Ce elimina el S y con 0.02 %Ce residual, produce elimina el S y con 0.02 %Ce residual, produce esferoides de grafito en vez de láminas.esferoides de grafito en vez de láminas.

El proceso INCO, similarmente, usa El proceso INCO, similarmente, usa adiciones de Mg a fierros fundidos hipoeutécticos o adiciones de Mg a fierros fundidos hipoeutécticos o hipereutécticos. Actualmente, se emplea las hipereutécticos. Actualmente, se emplea las adiciones de aleaciones de Mg, como agentes adiciones de aleaciones de Mg, como agentes nodulizantes.nodulizantes.

TEORIA DE LA FUNDICION NODULARTEORIA DE LA FUNDICION NODULAR

Para explicar el mecanismo de la formación Para explicar el mecanismo de la formación del grafito nodular, se han desarrollado 4 hipótesis del grafito nodular, se han desarrollado 4 hipótesis principales:principales:

Nucleación a partir de inoculantes siguiendo la Nucleación a partir de inoculantes siguiendo la teoría de carburos, semejante a las sales o teoría de carburos, semejante a las sales o concentraciones de alto Si, que se aplican en el concentraciones de alto Si, que se aplican en el caso de la fundición gris.caso de la fundición gris.

Nucleación a partir de la adición de nodulizantes Nucleación a partir de la adición de nodulizantes tales como Mg o Ce en combinación con post-tales como Mg o Ce en combinación con post-inoculantes.inoculantes.

Nucleación dentro de las burbujas de vapor de Mg e Nucleación dentro de las burbujas de vapor de Mg e ignorando el efecto de los post-inoculantes.ignorando el efecto de los post-inoculantes.

Sitios de nucleación en partículas microscópicas de Sitios de nucleación en partículas microscópicas de SiOSiO22. Estas son reducidas, por el C en el Fe, a Si y . Estas son reducidas, por el C en el Fe, a Si y

burbujas de CO. Los nódulos de grafito se forman en burbujas de CO. Los nódulos de grafito se forman en el interior de las burbujas.el interior de las burbujas.

El grafito laminar en la fundición gris se forma El grafito laminar en la fundición gris se forma a lo largo del eje A o un plano horizontal; mientras a lo largo del eje A o un plano horizontal; mientras que el grafito esferoidal en la fundición nodular se que el grafito esferoidal en la fundición nodular se forma a lo largo del eje C o plano vertical. El número forma a lo largo del eje C o plano vertical. El número y efectividad de los núcleos varía. y efectividad de los núcleos varía.

Cuando son numerosos y efectivos, ha Cuando son numerosos y efectivos, ha ocurrido solamente un relativo pequeño grado de ocurrido solamente un relativo pequeño grado de sobreenfriamiento. Cuando las partículas son pocas sobreenfriamiento. Cuando las partículas son pocas e inefectivas, el sobreenfriamiento aumenta.e inefectivas, el sobreenfriamiento aumenta.

Un incremento de este tiende a producir la Un incremento de este tiende a producir la formación del carburo de Fe (Feformación del carburo de Fe (Fe33C) antes que el C) antes que el

grafito estable, durante la solidificación tanto en la grafito estable, durante la solidificación tanto en la fundición gris y fundición nodular.fundición gris y fundición nodular.

Las partículas o núcleos que dan lugar a la Las partículas o núcleos que dan lugar a la nucleación con un mínimo de sobreenfriamiento, nucleación con un mínimo de sobreenfriamiento, incluye un número de materiales.incluye un número de materiales.

Las fuentes más efectivas de núcleos para la Las fuentes más efectivas de núcleos para la nucleación heterogénea del grafito en el Fe fundi-nucleación heterogénea del grafito en el Fe fundi-do, incluyen: carburos parecidos a las sales (Ca, do, incluyen: carburos parecidos a las sales (Ca, Al, carburo de Si y Ba) de inoculantes comerciales, Al, carburo de Si y Ba) de inoculantes comerciales, partículas de grafito, sulfuro que se forma durante partículas de grafito, sulfuro que se forma durante el tratamiento con Mg y nitruro de B.el tratamiento con Mg y nitruro de B.

También, pueden originar la precipitación de También, pueden originar la precipitación de adicionales núcleos de grafito, las áreas localizadas adicionales núcleos de grafito, las áreas localizadas de alto Si producidas por la adición de inoculantes de alto Si producidas por la adición de inoculantes de alto Si, tal como el FeSi de 75%. La post-de alto Si, tal como el FeSi de 75%. La post-inoculación de la fundición nodular proporciona inoculación de la fundición nodular proporciona suficientes núcleos efectivos para la nucleación del suficientes núcleos efectivos para la nucleación del grafito y la supresión de la formación de carburos.grafito y la supresión de la formación de carburos.

El grado de inoculación o nucleación El grado de inoculación o nucleación establece el número de partículas de grafito establece el número de partículas de grafito presentes en el fierro fundido; sin embargo, la presentes en el fierro fundido; sin embargo, la forma del grafito (laminar o esferoidal) se forma del grafito (laminar o esferoidal) se determina, generalmente, por las condiciones de determina, generalmente, por las condiciones de crecimiento.crecimiento.

El crecimiento del grafito como una lámina o El crecimiento del grafito como una lámina o esferoide, es considerado por muchos que se esferoide, es considerado por muchos que se determina por una serie de factores cinéticos determina por una serie de factores cinéticos resultantes de la absorción e incorporación de resultantes de la absorción e incorporación de átomos extraños superficialmente activos, en la átomos extraños superficialmente activos, en la interfase grafito-metal.interfase grafito-metal.

El Ce y Mg favorecen el crecimiento del El Ce y Mg favorecen el crecimiento del grafito esferoidal en el líquido, por este mecanismo. grafito esferoidal en el líquido, por este mecanismo. El S libre o no combinado, el O, H y N favorecen el El S libre o no combinado, el O, H y N favorecen el crecimiento del grafito laminar.crecimiento del grafito laminar.

Los elementos que promueven la formación Los elementos que promueven la formación del grafito esferoidal son: Mg, Ce, La, Ca, K, Li, del grafito esferoidal son: Mg, Ce, La, Ca, K, Li, Na, Be, Y. Los elementos que retardan la Na, Be, Y. Los elementos que retardan la formación del grafito esferoidal son: S, O, H, N, formación del grafito esferoidal son: S, O, H, N, Pb, Ti, As.Pb, Ti, As.

En la producción de la fundición nodular, se En la producción de la fundición nodular, se tiene lo siguiente:tiene lo siguiente:

La fundición nodular puede producirse de Fe La fundición nodular puede producirse de Fe electrolítico, C puro, Si elemental, fundido al vacío electrolítico, C puro, Si elemental, fundido al vacío e inoculado con Si metálico.e inoculado con Si metálico.

La fundición nodular se ha producido La fundición nodular se ha producido experimentalmente de coladas hechas de materiales experimentalmente de coladas hechas de materiales libres de S, puros e inoculados con FeSi libre de S.libres de S, puros e inoculados con FeSi libre de S.

El Fe base para la fundición nodular tratado con El Fe base para la fundición nodular tratado con Mg, no inoculado, tiene una matriz de carburos con Mg, no inoculado, tiene una matriz de carburos con un número limitado de nódulos.un número limitado de nódulos.

La inoculación con una aleación base de FeSi, se La inoculación con una aleación base de FeSi, se requiere para eliminar los carburos de la matriz de requiere para eliminar los carburos de la matriz de la fundición nodular.la fundición nodular.

La formación del grafito nodular en el Fe fundido La formación del grafito nodular en el Fe fundido tiene una velocidad crítica de solidificación, por tiene una velocidad crítica de solidificación, por debajo del cual el grafito esferoidal no se forma en debajo del cual el grafito esferoidal no se forma en presencia de cantidades adecuadas de nodulizantes.presencia de cantidades adecuadas de nodulizantes.

La velocidad crítica de solidificación para la La velocidad crítica de solidificación para la fundición nodular, controla la formación de las fundición nodular, controla la formación de las láminas de grafito, en las piezas fundidas de láminas de grafito, en las piezas fundidas de fundición nodular de secciones gruesas.fundición nodular de secciones gruesas.

Esencialmente, la fundición nodular consiste Esencialmente, la fundición nodular consiste de esferoides de grafito dispersados en una matriz de esferoides de grafito dispersados en una matriz similar a la del acero. La única diferencia entre la similar a la del acero. La única diferencia entre la fundición gris y la fundición nodular es en la forma fundición gris y la fundición nodular es en la forma del grafito; las matrices pueden ser similares.del grafito; las matrices pueden ser similares.

La facilidad con que puede procesarse la La facilidad con que puede procesarse la fundi-ción nodular y colarse en formas complejas, fundi-ción nodular y colarse en formas complejas, depende de un alto % C (o C equivalente). Durante depende de un alto % C (o C equivalente). Durante la solidificación la mayoría del C forma esferoides la solidificación la mayoría del C forma esferoides de grafito que ejercen sólo una pequeña influencia de grafito que ejercen sólo una pequeña influencia sobre las propiedades mecánicas, en contraste al sobre las propiedades mecánicas, en contraste al efecto de las láminas de grafito en la fundición gris.efecto de las láminas de grafito en la fundición gris.

Entonces, la estructura de la matriz tiene la Entonces, la estructura de la matriz tiene la mayor influencia sobre las propiedades del fierro.mayor influencia sobre las propiedades del fierro.

Por lo tanto, la fundición nodular son una Por lo tanto, la fundición nodular son una familia de aleaciones que combina las principales familia de aleaciones que combina las principales ventajas de la fundición gris (bajo punto de fusión, ventajas de la fundición gris (bajo punto de fusión, buena fluidez y colabilidad, excelente buena fluidez y colabilidad, excelente maquinabilidad y buena resistencia al desgaste), maquinabilidad y buena resistencia al desgaste), con las ventajas ingenieriles del acero (alta con las ventajas ingenieriles del acero (alta resistencia, tenacidad, ductilidad, trabajibilidad en resistencia, tenacidad, ductilidad, trabajibilidad en caliente y templabilidad).caliente y templabilidad).

La matriz de la fundición nodular se controla La matriz de la fundición nodular se controla por la composición base, práctica de fundición y/o por la composición base, práctica de fundición y/o T. T. para producir una RT. T. para producir una Rtracción, mín.tracción, mín. = 42.0 kg/mm = 42.0 kg/mm22, ,

con una elongación con una elongación >> 25%, hasta una R 25%, hasta una Rtracción, míntracción, mín = =

105.0 kg/mm105.0 kg/mm22 y con 1 a 4% de elongación. y con 1 a 4% de elongación.

TIPOS DE FUNDICION NODULARTIPOS DE FUNDICION NODULAR..

80-60-03 o SP80 (Meehanite)80-60-03 o SP80 (Meehanite)

- - Resist. a la tracción mín, PSIResist. a la tracción mín, PSI = 80,000 PSI= 80,000 PSI

- Límite de fluencia mín, PSI- Límite de fluencia mín, PSI = 60,000 PSI= 60,000 PSI

- % de elongación mínima - % de elongación mínima = 3%= 3%

- Dureza Brinell, HB - Dureza Brinell, HB = 200 - 270= 200 - 270

Presenta matriz perlítica, posee alta Presenta matriz perlítica, posee alta resistencia en bruto de colada y es endurecible por resistencia en bruto de colada y es endurecible por flameado. Se usa en maquinaria pesada, engranajes, flameado. Se usa en maquinaria pesada, engranajes, matrices, rodillos, etc.matrices, rodillos, etc.

Composición químicaComposición química

%C %C = 3.50-3.90= 3.50-3.90 %P %P < 0.06 < 0.06

%Si%Si = 2.50-2.80= 2.50-2.80 %Cr < 0.02 %Cr < 0.02

%Mn%Mn = 0.50-0.60= 0.50-0.60 %Cu hasta 0.50 %Cu hasta 0.50

%S %S < 0.02< 0.02 %Mg %Mgresidualresidual = 0.015-0.025 = 0.015-0.025

60-45-10 o SF60 (Meehanite)60-45-10 o SF60 (Meehanite)

- - Resist. a la tracción mín, PSIResist. a la tracción mín, PSI = 60,000 PSI= 60,000 PSI

- Límite de fluencia mín, PSI- Límite de fluencia mín, PSI = 45,000 PSI= 45,000 PSI

- % de elongación mínima - % de elongación mínima = 10%= 10%

- Dureza Brinell, HB - Dureza Brinell, HB = 140 - 200= 140 - 200

Presenta matriz ferrítica, excelente Presenta matriz ferrítica, excelente maquinabilidad y buena ductilidad. Se usa en maquinabilidad y buena ductilidad. Se usa en piezas sometidas a presión, tales como válvulas, piezas sometidas a presión, tales como válvulas, carcazas de bombas y partes que requieran carcazas de bombas y partes que requieran resistencia al choque.resistencia al choque.

Composición químicaComposición química

%C %C = 3.50-3.90= 3.50-3.90 %P %P < 0.04 < 0.04

%Si%Si = 2.60-2.90= 2.60-2.90 %Cr < 0.01 %Cr < 0.01

%Mn%Mn = 0.40-0.50= 0.40-0.50 %Cu = 0 %Cu = 0

%S %S < 0.02< 0.02 %Mg %Mgresidualresidual = 0.010-0.020 = 0.010-0.020

60-40-15 o SF6060-40-15 o SF60

- - Resist. a la tracción mín, PSIResist. a la tracción mín, PSI = 60,000 PSI= 60,000 PSI

- Límite de fluencia mín, PSI- Límite de fluencia mín, PSI = 40,000 PSI= 40,000 PSI

- % de elongación mínima - % de elongación mínima = 15%= 15%

- Dureza Brinell, HB - Dureza Brinell, HB = 140 - 190= 140 - 190

Presenta matriz totalmente ferrítica. Se usa Presenta matriz totalmente ferrítica. Se usa en aplicaciones navales y en piezas resistentes al en aplicaciones navales y en piezas resistentes al choque.choque.

La composición química es similar a la La composición química es similar a la anterior, pero con menos %Mn.anterior, pero con menos %Mn.

100-70-03 o SH100100-70-03 o SH100

- - Resist. a la tracción mín, PSIResist. a la tracción mín, PSI = 100,000 = 100,000 PSIPSI

- Límite de fluencia mín, PSI- Límite de fluencia mín, PSI = 70,000 PSI= 70,000 PSI

- % de elongación mínima - % de elongación mínima = 3%= 3%

- Dureza Brinell, HB - Dureza Brinell, HB = 240 - 300= 240 - 300

Presenta una matriz de perlita fina y con Presenta una matriz de perlita fina y con tratamiento térmico se obtiene una matriz tratamiento térmico se obtiene una matriz endurecida (bainítica o martensítica). Se usa en endurecida (bainítica o martensítica). Se usa en piezas que requieran alta resistencia, ductilidad y piezas que requieran alta resistencia, ductilidad y resistencia al desgaste, tales como piñones, resistencia al desgaste, tales como piñones, engranajes, cigueñales, levas, guías, etc.engranajes, cigueñales, levas, guías, etc.

Composición químicaComposición química

%C %C = 3.50-3.90= 3.50-3.90 %Cr < 0.03 %Cr < 0.03

%Si%Si = 2.50-2.80= 2.50-2.80 %Cu hasta 0.50 %Cu hasta 0.50

%Mn%Mn = 0.60-0.80= 0.60-0.80 %Mo hasta 0.50 %Mo hasta 0.50

%S %S < 0.02< 0.02 %Mg %Mgresidualresidual = 0.020-0.035 = 0.020-0.035

%P%P < 0.06< 0.06

120-90-02120-90-02

- - Resist. a la tracción mín, PSIResist. a la tracción mín, PSI = 120,000 = 120,000 PSIPSI

- Límite de fluencia mín, PSI- Límite de fluencia mín, PSI = 90,000 PSI= 90,000 PSI

- % de elongación mínima - % de elongación mínima = 2%= 2%

- Dureza Brinell, HB - Dureza Brinell, HB = 270 - 350= 270 - 350

Posee una matriz de martensita revenida, la Posee una matriz de martensita revenida, la cual puede alearse para obtener una máxima cual puede alearse para obtener una máxima resistencia y resistencia al desgaste.resistencia y resistencia al desgaste.