Aleaciones ferroras

1. METALOGRAFÍA
67.47
Trabajo Especial
PROFESORA TITULAR: Inga
. Tiracchia.
JEFE DE TRABAJOS PRÁCTICOS: Ing. Fuchinecco.
ALUMNO: Ruben Gutiérrez.
PADRÓN: 76644

2. Las aleaciones ferrosas
Introducción
Son básicamente aleaciones de hierro y carbono. Las fundiciones de hierro, contienen
mas carbono del necesario para saturar la austenita a temperatura eutéctica y por lo
tanto contienen entre 2 y 6,67%. Como el alto contenido de carbono tiene a hacer muy
frágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre 2,5 y 4% de C.
La ductilidad del hierro fundido es baja, lo que hace que no siempre pueda trabajarse ni
en frío ni en caliente. sin embargo, es relativamente sencillo de fundir y colar sobre
moldes de formas complejas.
Aunque son frágiles y sus propiedades mecánicas son inferiores a las de los aceros, su
costo bajo, su fácil colado y sus propiedades especificas los hacen uno de los
productos de mayor tonelaje de producción en el mundo.
Las fundiciones llamadas de primera fusión, tienen la siguiente composición:
C 2,5 - 4,5 Si 0,5 - 4,5 Mn 0,5 - 0,8 P 0,1 - 2 S < 0,15
Tipos de hierro fundido
El mejor método de clasificación es de acuerdo a su estructura metalográfica. Las
variables a considerar son: el contenido de carbono, los aleantes, las impurezas, la
velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico. Estas variables controlan la
condición y forma del carbono en la estructura.
El carbono se puede presentar en forma libre (grafito) o combinada (Cementita). La
forma y distribución del carbono influirá grandemente en las propiedades físicas de la
fundición. Se pueden clasificar en:
− Fundición blanca
donde todo el carbono se encuentra combinado
− Fundición Gris
la mayor parte del carbono se encuentra sin combinar en forma de grafito
− Fundición Maleable
Carbono mayormente sin combinar en forma de nódulos irregulares o carbono
revenido
− Fundición nodular
Mediante aleantes especiales, el grafito forma esferoides compactos.
− Fundición especial
Las propiedades y estructura de las anteriores se modifica por el agregado de
aleantes

3. Fundición blanca
Las fundiciones blancas no contienen grafito libre, en cambio todo el carbono se
presenta combinado como Fe2C. Sus características son:
− Excepcional dureza y resistencia a la abrasión
− Gran rigidez y fragilidad
− Pobre resistencia al choque
− Dificultad para lograr uniformidad de estructura metalográfica según el espesor
Desde el estado liquido, se forman cristales de austenita que disuelven cada vez mas
carbono hasta llegar a la temperatura eutéctica, en donde el liquido remanente
reacciona para formar el eutéctico ledeburita y cementita. Como la reacción ocurre a
alta temperatura (1100`C) la ledeburita aparece como una mezcla gruesa.
Al bajar la temperatura, la austenita segrega carbono porque baja la solubilidad, de
manera que da lugar a la precipitación de cementita proeutectoide mayormente sobre la
cementita ya presente.
A la temperatura eutectoide (723`C), la austenita con 0,8% de carbono se transforma en
perlita por la reacción eutectoide.
La estructura típica de una fundición blanca consiste en dendritas de austenita
transformada (perlita) rodeadas de una red interdendrítica de cementita.
La cementita es un compuesto intermetálico duro y frágil que forma una red
interdendrítica. Esta característica hace a la fundición blanca muy dura y resistente al
desgaste pero frágil y difícil de maquinar. Su aplicación esta en aquellos lugares donde
la resistencia a la abrasión y desgaste es lo mas importante ya que no admite ninguna
deformación.
sus propiedades mecánicas son las siguientes
− Dureza Brinell entre 375 y 600
− Resistencia a la tracción entre 130 y 500 MPa
− Resistencia a la compresión entre 1,4 y 1,7 GPa
Micrografías de fundición Blanca

4. Fundición gris
Es la que mas se utiliza en la industria. Su estructura esta formada por una matriz
metálica conteniendo grafito precipitado en forma de laminas de diversos tamaños y
grosores o formas variadas como rosetas, etc.
Las principales características de las fundiciones grises son:
− Excelente colabilidad
− Buena resistencia al desgaste
− Excelente respuesta a los tratamientos térmicos de endurecimiento superficial
− Poca resistencia mecánica.
En este tipo de hierro fundido, la mayor parte del carbono esta en estado primario o
grafito. La tendencia de la cementita a separarse en grafito y austenita es favorecida
controlando la composición y velocidad de enfriamiento de la aleación. La mayoría son
hipoeutécticas con 2 a 4% de carbono.
Estas fundiciones, solidifican primero formando austenita primaria. La formación de
cementita a temperatura eutéctica es minimizada por el alto contenido de carbono y la
presencia de elementos grafitizantes como el Silicio.
El grafito primario precipita en forma de placas o laminas irregulares tridimensionales,
que dan en su fractura el típico color gris oscuro.
Durante el enfriamiento posterior, la austenita segrega mas carbono al bajar la
solubilidad y lo hace en forma de grafito o cementita proeutectoide que grafitiza
rápidamente.
La resistencia de la fundición gris depende casi exclusivamente de la matriz en que esta
incrustado el grafito. Esta matriz depende de la condición de la cementita eutectoide. Si
la rapidez de enfriamiento y composición son tales que esta cementita grafitiza,
entonces la matriz será completamente ferrítica, por el contrario si persiste la cementita
eutectoide, la matriz será totalmente perlítica.
La composición de la matriz puede variar en infinitas combinaciones entre ambos
extremos.
La mezcla grafito-ferrita da la fundición gris mas suave y débil. La resistencia y dureza
aumentan al aumentar la proporción de cementita hasta alcanzar el máximo en la matriz
grafito-perlita.
Influencia del Silicio
El silicio incrementa la fluidez y desplaza la composición eutéctica hacia la izquierda, lo
cual baja la temperatura de solidificación. Al aumentar el Silicio decrece el área de la
austenita y el contenido de carbono eutectoide.
Al ser un enérgico grafitizador, si no es balanceado por otros elementos formadores de
carburo, el carbono primario precipita como hojuelas de grafito. Una vez que se
constituye el carbono primario como grafito su forma ya no puede alterarse. Estas
hojuelas rompen la continuidad de la matriz y generan un efecto concentrador de
esfuerzos como verdaderas entallas, lo cual explica la baja resistencia y ductilidad de la
fundición gris.

5. 1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6 7
Fundicion gris
Perlitica
Fundicion gris
Ferritica
Fundicion
Blanca
En la figura se ve como el contenido de
Silicio afecta la formación de carburos,
dando como resultado las distintas
matrices de la fundición gris. En la región
media hay suficiente silicio como para
provocar la grafitización de todos los
carburos excepto la cementita eutectoide,
de manera que se obtiene matriz perlítica y
hojuelas de grafito.
Se requiere de un cuidadoso control del
contenido de silicio y de la velocidad de
enfriamiento para grafitizar la cementita
eutéctica y proeutectoide pero no la
eutectoide a fin de lograr una matriz totalmente perlítica de alta resistencia.
Influencia del azufre
Tiene el efecto contrario del silicio, ya que tiende a estabilizar los carburos. Además
tiende a formar FeS, un compuesto intermetálico de bajo punto de fusión que al formar
redes interdendríticas, provoca fisuras y fragilidad en caliente. Reduce la fluidez y
provoca rechupes y cavidades en piezas fundidas.
En general el azufre se controla con el manganeso ya que forma MnS, unas partículas
muy duras y pequeñas que no perjudican demasiado a la matriz.
Influencia del manganeso
Es un estabilizador de carburos, pero menos potente que el azufre. En la proporción
correcta (3 a 1 con el azufre) forma MnS, reduciendo el carbono combinado y el efecto
del azufre. El exceso retarda un poco la grafitización primaria y estabiliza la cementita
eutectoide.
Influencia del fósforo
La mayor parte proviene del mineral de hierro y del carbón
mineral. Se combina con el hierro para formar Fe3P, que
constituye un eutéctico ternario con la cementita y la perlita
llamado esteadita. La esteadita es frágil y con alto
contenido de fósforo, tiende a formar redes interdendríticas
alrededor de la austenita primaria y por lo tanto le confiere
fragilidad a la fundición. Su contenido debe controlarse
cuidadosamente.
Su efecto aumenta la fluidez y favorece la grafitización
primaria junto al silicio. Es útil para piezas muy delgadas.

6. Influencia del grafito
El tamaño y distribución del grafito influyen
drásticamente sobre las propiedades de la
fundición. Las hojuelas interrumpen la
continuidad de la matriz, reduciendo la
resistencia y ductilidad. Las hojuelas pequeñas
son menos dañinas por lo que se prefieren.
El tamaño esta normalizado y se determina por
comparación con foto micrografías de muestra.
La muestra pulida se observa a 100x.
− El enfriamiento lento de la fundición favorece
la grafitización pero también la formación de
grandes cristales de austenita primaria, dando
como resultado pocas hojuelas grandes y gruesas.
− El exceso de carbono incrementa la formación de eutéctico y de grafito, lo que
puede debilitar la matriz de la fundición en mayor proporción que una hojuela de menor
tamaño.
− El silicio en exceso incrementa la formación de eutéctico y por lo tanto da hojuelas
mas finas y pequeñas. Pero también es un enérgico grafitizador, por lo tanto tendera a
formar una matríz ferrítica de baja resistencia mecánica.
− El mejor método para reducir el tamaño y distribución del grafito es mediante el
agregado de inoculantes. Estos agentes inoculantes como Calcio, Aluminio, titanio,
zirconio, carburo de silicio, etc, causan la nucleación de la austenita primaria originando
muchos pequeños granos, lo cual reduce el tamaño y mejora la distribución del grafito.
La forma de las hojuelas se clasifica en 5 tipos (A,B,C,D,E). El tipo D y E resultan de la
grafitización de una estructura eutéctica típica de hierros de alta pureza o en
fundiciones enfriadas rápidamente. Si bien las hojuelas son pequeñas, la conformación
interdendrítica de las mismas debilita la estructura de manera que son indeseables. Con
menor velocidad de enfriamiento no ocurren.
Las pocas hojuelas grandes y rectas del tipo C indican que el hierro es hipereutèctico
en contenido de carbono. El silicio y otros elementos de aleación reducen este efecto.
en general estas estructuras no son deseables.
Las hojuelas tipo B son comunes solo en la región intermedia de una fundición colada
en molde frío, conocida como manchada, donde la rapidez de enfriamiento es la
máxima que permite el proceso de grafitización.
El tipo de hojuela mas deseable es el A, que resulta de una estructura eutéctica
completamente separada. En este caso el tamaño pequeño de las mismas está
determinado por el de los cristales de austenita primaria alrededor del cual se forman.
Las características mecánicas de una fundición gris son las siguientes:
− Dureza Brinell entre 156 y 302
− Resistencia a la tracción entre 150 y 430 MPa
− Resistencia a la compresión entre 570 y 1,3 GPa

7. D B C
E A
Micrografías de fundición Gris

8. Fundición maleable
Las piezas se cuelan en fundición blanca y subsecuentemente se les realiza un
tratamiento térmico destinado a descomponer la cementita para producir la segregación
de nódulos de grafito irregular. Se distinguen dos clases:
Maleable de corazón blanco
Que consiste en un proceso de decarburación acentuado
Maleable de corazón negro
ferríticas o perlíticas, donde se precipita grafito en forma de nódulos. Las diversas
estructuras obtenidas, le otorgan las siguientes características:
− Excelente resistencia a la tracción
− Ductilidad y resistencia al choque
− Buena colabilidad
Ferrítica
La cementita es una fase meta estable, de manera que bajo condiciones particulares,
hay una tendencia de la misma a descomponerse en Hierro y carbono. Esta reacción es
favorecida por la temperatura, la presencia de impurezas no metálicas y de elementos
grafitizantes.
La maleabilización consiste en convertir todo el carburo presente en la fundición blanca
en carbono revenido en forma irregular (grafito y ferrita). El proceso requiere de 2
etapas de recocido:
En la primer etapa, la fundición blanca se recalienta a una temperatura entre 900 y
950°C. Durante el calentamiento, la perlita se convierte en austenita, la que a su vez
disuelve parte de la cementita.
El proceso de maleabilización comienza cuando el carbono se segrega de la austenita
saturada como grafito libre. Este proceso se forma a partir de núcleos que van
agotando el carbono de la interfase austenita-cementita adyacente hasta el punto en
que esos núcleos coalecen como nódulos irregulares en toda la estructura.
La velocidad de descomposición depende de la facilidad de difusión del carbono y por
lo tanto de la temperatura y el tiempo. Si ésta es demasiado elevada, la pieza se
deforma excesivamente.
La segunda etapa de recocido se realiza a 760°C, donde se dejan enfriar lentamente
las piezas hasta el ambiente. La reacción eutectoide ocurre a esta temperatura de
manera que el carbono que segrega la austenita se convierte en grafito sobre los
nódulos ya existentes. La austenita se transforma en su mayor parte en ferrita.
Esta fundición llamada maleable ferrítica, es ahora mucho mas resistente a la tracción
y dúctil que la blanca o la gris. Además se puede maquinar con facilidad.
Las características mecánicas de una maleable ferrítica son las siguientes:
− Dureza Brinell entre 110 y 145
− Resistencia a la tracción entre 340 y 400 MPa

9. Fundición maleable perlítica
Si una cantidad de carbono se retiene como carburo combinado finamente distribuido,
resulta una estructura totalmente diferente a la ferrítica y la resistencia y la dureza se
incrementan en forma apreciable.
La primer etapa de recocido es la misma que para la maleable ferrítica. La segunda
etapa de recocido se reemplaza por un temple, generalmente al aire, el cual enfría las
piezas a través del intervalo eutectoide lo suficientemente rápido como para retener los
carburos dispersos en la matríz. La cantidad de perlita formada depende de a qué
temperatura empieza el temple y la velocidad de enfriamiento. Si el efecto es
suficientemente enérgico, toda la matríz será perlítica.
Si la velocidad de enfriamiento a través del punto crítico no es suficiente como para
retener todo el carburo, las áreas que rodean los nódulos serán grafitizadas totalmente
y las áreas alejadas de ellos serán perlíticas.
Normalmente se recurre a una tercer etapa que consiste en revenir la pieza entre 500 y
650 ºC para esferoidizar la perlita, mejorar la maquinabilidad, tenacidad, etc.
Otra característica de la fundición maleable, es que mediante un temple desde la
temperatura de austenización total puede obtenerse una matríz totalmente martensítica
o bainítica, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Con esto se logran durezas
del orden del 60 HRc.
En general se utilizan fundiciones blancas aleadas para fabricar la fundición maleable
perlítica, que estabilizan carburos en la etapa eutectoide e impiden la formación de
matrices ferríticas. Los mas comunes son el Manganeso y el Azufre. Otros, como el
cobre aumentan la resistencia mecánica, a la corrosión y mejoran las distribución del
grafito.
Las características mecánicas de una maleable perlítica son las siguientes:
− Dureza Brinell entre 163 y 269
− Resistencia a la tracción entre 450 y 830 MPa
Micrografías de fundición Maleable

10. Fundición Nodular
Aquí el grafito se presenta en forma en estado bruto de colada en forma de esferoides
por el agregado de magnesio, calcio y Cerio, todos agentes altamente nodulizantes.
Estas fundiciones presentan características comparables a las de un acero:
− Excelente ductilidad y elongación
− Excelente resistencia a la tracción
− Buena colabilidad
En esta fundición el grafito aparece como esferoides mas o menos regulares y de
tamaño parejo, distribuidos uniformemente en la matríz. Esta forma del grafito no
interrumpe tan marcadamente la continuidad de la matríz como en la fundición gris, lo
cual da una mayor resistencia y tenacidad al material.
La fundición nodular se obtiene directamente por moldeo a diferencia de la maleable
que requiere de varios tratamientos térmicos.
El contenido de carbono es el mismo que el de la gris, pero la diferencia reside en que
se agregan aleantes especiales llamados inoculantes, como el Magnesio y el Cerio, que
nodulizan el grafito. Esta operación se realiza en la cuchara antes del colado ya que el
efecto de los inoculantes dura poco tiempo.
Se debe controlar especialmente el contenido de Azufre en la aleación ya que éste
neutraliza enérgicamente el efecto de los inoculantes.
Ferrítica
La matríz ferrítica se consigue controlando la composición química y la velocidad de
enfriamiento para que sea lo mas lenta posible a fin de permitir la difusión y la total
grafitización. Esta estructura proporciona máxima ductilidad, maquinabilidad, elongación
y buena tenacidad.

11. Las características mecánicas de una maleable ferrítica son las siguientes:
− Dureza Brinell entre 130 y 210
− Resistencia a la tracción entre 380 y 630 MPa
Perlítica
La matríz perlítica se consigue mediante un tratamiento térmico de normalizado desde
870 ºC ó directamente de colada por la adición de aleantes especiales. Esta estructura
proporciona mucha mas resistencia y tenacidad, pero es menos dúctil.
Las características mecánicas de una nodular perlítica son las siguientes:
− Dureza Brinell entre 200 y 275
− Resistencia a la tracción entre 550 y 900 MPa
Martensitica
Si la fundición nodular se templa en aceite desde 930 `C, se obtiene una estructura
netamente martensítica, normalmente se realiza un revenido de la misma para disminuir
la dureza y mejorar la tenacidad. Con este proceso se obtienen las mas altas
resistencias a la tracción.
Las características mecánicas de una nodular martensítica son las siguientes:
− Dureza Brinell entre 215 y 320
− Resistencia a la tracción entre 680 MPa y 1,03 GPa
Micrografías de fundición Nodular

12. Fundiciones Especiales
Los aleantes se añaden para mejorar determinadas propiedades especificas, como
resistencia al desgaste, la corrosión o la temperatura de cada tipo de fundición. El
efecto general de todos ellos es el de acelerar o retardar la grafitización, los mas
comunes son Cromo, níquel, Cobre, Molibdeno y Vanadio.
El Cromo incrementa el carbono combinado formando carburos complejos mas
estables. Tiende a aumentar la resistencia y la dureza, bajando la maquinabilidad, pero
sobre todo la estructura resultante resiste mejor el calor y el desgaste. Los porcentajes
de aleación van desde 1% hasta 35%, lográndose un amplio espectro de estructuras.
El Molibdeno retarda la transformación de la austenita aumentando la templabilidad. Su
efecto es similar al que ocurre en el acero, que es aumentar la resistencia a la fatiga, al
calor y la dureza. Los porcentajes van desde 0,25 a 1,25%.
El Cobre tiene efecto grafitizador leve, disocia la cementita maciza haciendo menos
frágil la matriz, pero sobre todo aumenta la resistencia a la corrosión. Comúnmente se
la utiliza para fundiciones maleables especiales.
El níquel es grafitizador, retarda la transformación de la austenita y estabiliza la perlita
permitiendo lograr matrices totalmente perlíticas. Se lo utiliza en combinación con el
Cromo en la fundición Blanca para lograr una matriz combinada de carburos, martensita
y austenita retenida, que logran una resistencia a la abrasión y dureza superiores
Diferentes tipos de fundiciones aleadas
Los elementos de aleación y tratamientos térmicos adecuados, permiten la obtención
de una gama de materiales, en los cuales las estructuras y las propiedades mecánicas
se adaptan a las aplicaciones particulares.
Fundición gris austenítica
Para resistir altas temperaturas y atmósferas corrosivas.
Fundición gris o blanca martensítica
Para resistencia al desgaste a altas presiones de contacto y resistencia a la abrasión
Fundición gris acicular
Para resistencia a los esfuerzos alternados
Fundición gris al alto silicio
Resistencia a la oxidación a alta temperatura y a la corrosión de ácidos H2SO4 y HNO3
Fundición blanca al alto cromo
Resistencia excepcional a los ácidos H2SO4 y HNO3

13. Aptitudes tecnológicas de las fundiciones
Esfuerzos estáticos o repetitivos
Resistencia a la tracción
Las fundiciones cubren una amplia gama de valores, donde el limite superior es de
alrededor de 1000 MPA. Esta resistencia depende de la composición química, de la
estructura metalográfica, de la velocidad de enfriamiento, del espesor de la pieza, del
método de obtención, de los tratamientos térmicos, etc.
Las fundiciones grises muestran resistencias de entre 150 y 400 MPa
Las maleables, entre 350 y 700 MPa.
Las esferoidales entre 400 y 700 MPa
Resistencia a la compresión
Las fundiciones grises son 3 a 4 veces mas resistentes a la compresión que a la
tracción. Pudiendo superar incluso al acero. Las fundiciones maleables y nodulares
presentan valores similares a la tracción y la compresión.
Resistencia a la fatiga
El limite de fatiga por flexión rotativa alternativa es de 0,33 a 0,60, dependiendo de la
composición. Las piezas de fundición gris presentan alta sensibilidad a la entalla.
Esfuerzo de choque
Ductilidad
Solo las fundiciones maleables y esferoidales presentan una ductilidad interesante. No
así las grises y las blancas.
Resiliencia
La resistencia al choque varia con el tipo y la estructura de la fundición
Las grises presentan una alta sensibilidad a la entalla y la energía absorbida varia entre
10 y 50 J
Las maleables y esferoidales ferríticas poseen gran ductilidad y absorción de energía,
pero menores que los aceros al carbono. En cambio, las de matriz perlítica presentan
gran resistencia al choque comparable con los aceros al carbono.
Desgaste y corrosión
Desgaste por frotamiento o deslizamiento
Las fundiciones maleables y esferoidales perlíticas tienen una buena resistencia al
desgaste. En lo que respecta a las grises, el efecto del grafito laminar hace que sus
resistencia al desgaste sea excelente. Estas fundiciones permiten el endurecimiento
superficial que pueden llegar a los 60 HRc necesario para lograr un buen desempeño.
abrasión y frotamiento con alta presión de contacto
Las fundiciones blancas y martensíticas son las que mejor resisten la abrasión en
ambientes húmedos o secos. se pueden lograr durezas de 800 Vickers. Estas durezas
se obtienen ya sea por tratamiento térmico o por aleantes especiales.
corrosión

14. Las fundiciones en general presentan un buena resistencia a la corrosión atmosférica.
Las fundiciones aleadas, austeníticas, al alto cromo y Silicio, resisten tanto los ácidos
orgánicos como inorgánicos, loa álcalis y soluciones salinas mas comunes que se
utilizan el la industria.
Altas y bajas temperaturas
Las fundiciones se pueden utilizar en un amplio rango de temperaturas, que van desde
los –200°C hasta casi los 1000°C.
Bajas temperaturas
Las fundiciones grises no presentan una transición dúctil-frágil apreciable, de manera
que mantienen su resistencia a bajas temperaturas. Las grises austeníticas son aun
mejores.
Las maleables y esferoidales presentan características similares a los aceros al
carbono por debajo de 0°C. Las austeníticas conservan su ductilidad y resistencia a la
entalla hasta -196°C pero disminuye su resistencia a la tracción.
Altas temperaturas
− Resistencia a la oxidación
− Estabilidad estructural
− Resistencia al choque térmico
− Resistencia mecánica hasta 400°C
Amortiguación de vibraciones
Las fundiciones, especialmente las grises, poseen una gran capacidad de
amortiguación de vibraciones, los fenómenos de resonancia, la transmisión de ruidos,
etc. contra los aceros que cuya amortiguación es pobre.

15. 1 2
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Micrografías de fundiciones