Fundiciones Industriales: Composición, Propiedades y Ensayos Mecánicos

Fundiciones: Composición y Propiedades Clave

Constituyentes de las Fundiciones Grises

Las fundiciones grises son aleaciones de hierro y carbono con un contenido de silicio significativo. Sus propiedades dependen en gran medida de la microestructura y los constituyentes presentes:

• Ferrita: Solución sólida de silicio (Si) y fósforo (P) que endurece esta fase respecto a la de los aceros, donde los porcentajes de Si y P son menores.
• Perlita: Sus propiedades son función del espaciado interlaminar.
• Cementita: Fase de mayor dureza, con valores típicos de 700-900 HV (Dureza Vickers).
• Steadita: Eutéctico fosforoso, con una dureza de 400-900 HV. Después de la cementita, es la fase de mayor dureza.
• Grafito: Blando, lubricante y conductor eléctrico. Es el constituyente que tiene mayor influencia en las propiedades mecánicas de las fundiciones grises. En función de la forma y tamaño del grafito, se clasifican en cinco tipos principales.

Propiedades Mecánicas de las Fundiciones Grises con Grafito Laminar

En las fundiciones con grafito laminar, el aumento del grafito reduce la resistencia a la tracción (R_t) y la dureza, mientras que un mayor contenido de perlita incrementa la R_t y la dureza. El grafito, al no tener casi resistencia mecánica, se comporta como un hueco o discontinuidad en la matriz. Estas fundiciones presentan buena resistencia al desgaste, a la corrosión y al choque térmico. Sin embargo, su resistencia, rigidez y plasticidad son mediocres. Sus propiedades pueden mejorarse significativamente mediante tratamientos térmicos o la adición de elementos de aleación.

Fundiciones Grises con Grafito Esferoidal

Estas fundiciones se caracterizan por tener el grafito en forma de glóbulos o esferoides, lo que mejora sustancialmente sus propiedades mecánicas. Su constitución y propiedades pueden modificarse mediante tratamientos térmicos específicos.

Fundiciones Maleables: Tipos y Procesos de Fabricación

Las fundiciones maleables son fundiciones blancas a las que se aplica un recocido prolongado para mejorar su plasticidad y tenacidad, transformando la cementita en grafito.

Procedimiento Europeo (Corazón Blanco)

En este proceso, se obtiene una fundición con un “corazón blanco”. Se realiza un recocido en atmósfera oxidante para eliminar el carbono de la superficie. El resultado es una matriz ferrítica con nódulos de grafito. Este procedimiento no es aplicable a piezas de gran espesor debido a la dificultad de descarburación completa en el interior.

Procedimiento Americano (Corazón Negro)

Este método produce una fundición con un “corazón negro”. El recocido se realiza en atmósfera neutra, lo que evita la descarburización. El resultado es una matriz ferrítica con nódulos de grafito distribuidos uniformemente. La tenacidad obtenida es generalmente superior a la de las fundiciones de corazón blanco.

Fundición Maleable Perlítica

El tratamiento de la fundición maleable perlítica es similar al europeo y americano, pero el enfriamiento final se controla para que sea libre hasta la temperatura ambiente. Este proceso promueve la formación de perlita en la matriz, evitando la ferritización completa y resultando en una mayor resistencia y dureza.

Ensayos Mecánicos de Materiales

Ensayo de Tracción

El ensayo de tracción es una prueba fundamental para determinar las propiedades mecánicas de los materiales. Consiste en aplicar una fuerza de tracción uniaxial a una probeta estandarizada y medir los alargamientos producidos en función de este esfuerzo. Los alargamientos pueden medirse por el desplazamiento del cabezal de la máquina o con un extensómetro.

Curva Ingenieril de Tensión-Deformación

La curva ingenieril obtenida en el ensayo de tracción presenta típicamente tres zonas: elástica, plástica y de estricción. La fuerza necesaria para deformar la probeta depende directamente de su sección transversal. Las propiedades clave determinadas en este ensayo son:

• Límite Elástico (R_e o R_p0,2): Es la resistencia mínima para producir una deformación plástica permanente.
• Resistencia Máxima (R_m): La tensión máxima que el material puede soportar antes de la fractura.
• Módulo de Young (E): Una medida de la rigidez del material en la zona elástica.
• Alargamiento a la Rotura (%A): El aumento porcentual de la distancia entre puntos de referencia de la probeta después de la rotura.
• Reducción de Área (%Z): La reducción porcentual de la sección transversal de la probeta en el punto de fractura.

Diagrama de Tensión-Deformación Verdadera

El diagrama de tensión-deformación verdadera coincide con la curva ingenieril para deformaciones pequeñas (ε < 0.2). Es importante considerar la influencia de las condiciones de contorno: si la temperatura (T) aumenta, tanto el Límite Elástico (R_p0,2) como la Resistencia Máxima (R_m) tienden a disminuir.

Ensayos de Dureza

La dureza es la resistencia que oponen los materiales a ser rayados o penetrados. A diferencia del ensayo de tracción, que analiza la respuesta global del material, el ensayo de dureza es una prueba local.

Ensayo de Rayado (Marten)

En el ensayo de Marten, se utiliza una punta de diamante con una carga constante que se mueve sobre la superficie de la probeta. La dureza se deduce midiendo la anchura de la raya producida.

Ensayo de Rebote (Shore)

El ensayo de Shore mide la dureza elástica de un material. Consiste en dejar caer un indentador desde una altura determinada sobre la superficie de la probeta. Cuanto más dura es la probeta, más alto rebota el indentador. Este método no es adecuado para medir la dureza de materiales plásticos.