Fundiciones Metálicas y Diagramas de Fase: Conceptos Clave

Clasificación de las Fundiciones

La clasificación más antigua y conocida establece cuatro grupos principales de fundiciones. El método más preciso de clasificación se basa en su estructura metalográfica. Las variables clave a considerar para esta clasificación son:

• El contenido de carbono
• Las aleaciones
• Las impurezas
• La velocidad de enfriamiento
• El tratamiento térmico

Tipos de Fundiciones

Fundiciones Blancas

Son aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Sus características son análogas a las de una aleación con aproximadamente 2,5 % de carbono.

Fundiciones Grises

El hierro gris es fácil de mecanizar, tiene buena capacidad de amortiguación (damping) y buena fluidez para el colado, pero es quebradizo y de baja resistencia a la tracción.

Fundición Maleable

Se moldean primero como fundiciones blancas (compuestas por cementita + perlita, contienen grandes cantidades de hierro y sin grafito). Las fundiciones blancas son demasiado duras y frágiles, por lo que se las somete a un tratamiento térmico posterior para convertirlas en maleables.

Fundiciones Aleadas

Son aquellas que contienen uno o más elementos de aleación en cantidades suficientes para mejorar las propiedades físicas o mecánicas de las fundiciones ordinarias. (Elementos como el silicio, manganeso, fósforo y azufre, presentes comúnmente, no se consideran elementos de aleación en este contexto).

Diagramas de Fase y Microestructuras

Diagrama de Fase

Un diagrama de fase es una representación gráfica de las fases en equilibrio estable que se encuentran en las aleaciones bajo diferentes condiciones (típicamente temperatura, presión y composición). La estabilidad de estas fases se refiere a la estabilidad termodinámica, y los diagramas de fase son, por lo tanto, diagramas de equilibrio.

Microestructuras

Las microestructuras (que determinan las propiedades del material) se logran regulando los siguientes procesos:

1. Fusión
2. Refinación
3. Aleaciones (adición de componentes)
4. Formado (deformación)
5. Calentamiento o enfriamiento
6. Tratamiento térmico
7. Fabricación de la estructura (incluyendo el mecanizado o soldadura)

Para entender estos procesos, se necesita conocer cuándo se funde el sólido, cuándo se solidifica el líquido y si el material es de una fase o de fases múltiples.

Una Fase

Una fase es el estado homogéneo distinguible (Gaseoso, Líquido o Sólido) de la materia que manifiesta composición y propiedad uniforme.

Diagrama de Fase Binario

Un diagrama de fase binario (para dos componentes) se divide en tres regiones principales:

• Región Líquida homogénea
• Región Sólida homogénea
• Región Líquida + Sólida (coexistencia de fases)

Tipos de Diagramas Binarios

Existen diferentes tipos de diagramas de fase binarios, clasificados según la solubilidad de los componentes en estado sólido y líquido:

• Tipo I: Solubilidad total en estado Líquido y Sólido.
• Tipo II: Solubilidad total en estado Líquido e Insolubilidad en estado Sólido (con punto eutéctico).
• Tipo III: Solubilidad total en estado Líquido y Solubilidad parcial en estado Sólido.

Tipo I: Solubilidad Total

En un diagrama Tipo I, podemos identificar varios conceptos clave:

• Temperaturas Caracteristicas:

  • Temperatura Liquidus (Tº liquidus): Se define como la curva por encima de la cual el material es totalmente líquido.
  • Temperatura Solidus (Tº solidus): Es la curva por debajo de la cual la aleación es 100% sólida.
  • La diferencia entre la Tº liquidus y la Tº solidus es el intervalo de solidificación.

• Fases Presentes: El diagrama de fases se considera un mapa. Si se conocen las coordenadas (Temperatura y composición de la aleación), se puede determinar las fases que se encuentran presentes.

• Composición de Cada Fase:

  1. Cada fase presente es una aleación que tiene composición expresada en porcentaje de cada elemento.
  2. Cuando la aleación está en una sola fase, la composición de la fase es igual a la composición general de la aleación (ej. 50% - 50%).
  3. Cuando existen dos fases (ej. Líquida y Sólida), la composición de ambas difiere de la composición general.
  4. Se utiliza una línea de enlace o isoterma para determinar la composición de las dos fases en equilibrio.
  5. Una isoterma es una línea horizontal trazada a la temperatura de interés dentro de una región de dos fases. Los extremos de la isoterma representan la composición de las fases en equilibrio a esa temperatura.

• Regla de la Palanca: Se puede aplicar en cualquier región de dos fases de un diagrama de fase. Se utiliza para calcular la fracción relativa o el porcentaje de cada fase en una mezcla de dos fases. Los extremos de la línea de enlace (isoterma) indican la composición de cada fase.

• Solidificación de una Aleación: Dependiendo de la velocidad de solidificación:

  • Si la velocidad es extraordinariamente lenta, la solidificación ocurre según el diagrama de equilibrio de fase.
  • En la práctica, la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y, por ello, la distribución del soluto en el sólido no es homogénea.

Tipo II: Con Punto Eutéctico

En un diagrama Tipo II, existe un punto particular llamado punto eutéctico (a menudo denotado como E). La temperatura correspondiente a este punto se llama temperatura eutéctica, y la composición en este punto es la composición eutéctica (ej. 40% de A - 60% de B en el ejemplo dado).

Cuando el líquido con composición eutéctica se enfría lentamente hasta la temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en dos fases sólidas. Esta transformación se conoce como reacción eutéctica.