BOLETIN_Enero,_2009[1]

1:

Copyright © 2008-2009, por Mikayáh Lévi, todos los derechos reservados. Bogotá, Colombia.

¡El boletín de soldadura numero 1 en las nacion es hispanohablantes!

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LAS FUNDICIONES HIERRO-CARBONO

INTRODUCCION

En Latinoamérica es muy conocido el termino fundición de hierro, o hierro colado, por cuanto alguna ves hemos

tenido contacto con alguna pieza de este (o similar) material, es bien sabido la gran cantidad de objetos que se

fabrican con este tipo de aleación, desde el bloque de cilindros de un motor, hasta la prensa de un banco, una biela

hasta una llave para tubo; todo ello evidenciando la gran utilidad de tal material. Por lo anterior, son muchas las

veces que es imprescindible reparar alguno de estos elementos para lo cual siempre contaremos con la importante

experiencia del soldador, aquel que “siempre hace este trabajo”; ahora bien, la experiencia del soldador es

invaluable; pero que tal si le añadimos un análisis técnico al material (conforme su utilidad) y lo reparamos

siguiendo un procedimiento, respetando los requerimientos sobre aporte térmico, que al fin y al cabo son los que

determinaran la vida útil adicional del elemento.

Este y otros aspectos serán planteados en esta edición, procurando (como es nuestro propósito) transmitir

información útil que pueda ser aplicable en un momento dado.

TIPOS DE FUNDICIONES FERRROSAS

En termino general las fundiciones hierro-carbono contienen un porcentaje de Carbono entre el 2.0% y el 6.67%,

con cantidades de Silicio del 0.3 al 4.0%, de Manganeso hasta 1%, bajo nivel de Azufre y Fósforo, donde el

Carbono puede presentarse en forma de grafito o cementita.

Algunas características generales de los hierros fundidos son la baja ductilidad, por consiguiente poca capacidad de

conformación a temperatura ambiente, limitada conductividad eléctrica y térmica, y gran capacidad para absorber

las vibraciones.

Una clasificación básica, parte del color aparente de fractura.

� Fundición gris

� Hierro Blanco

� Fundición Maleable

� Fundición Dúctil

2:


Fundición Gris

Las partes de maquinas y equipos que están expuestos a un alto nivel vibracional se suelen construir con este tipo

de fundición.

Por causa de su elevada fluidez durante el proceso de fundido, es muy apropiada para fabricar elementos de formas

intrincadas, adicional a esto durante la solidificación esta fundición presenta muy poca contracción. Otra

característica de gran importancia es que esta fundición es la más económica del mercado.

La microestructura típica contiene celdas eutécticas de grafito, en escamas interconectadas. El punto en el cual se

conectan estas hojuelas es el núcleo de grafito.

Las fundiciones grises se dividen en dos clases:

1. Fundición gris perlítica

En los constituyentes de esta fundición, las láminas de grafito se hallan sobre un fondo perlítico, con la

presencia de algunos granos de ferrita. Ver figura 1.

2. Fundición gris ferrítica

Se caracteriza por que las láminas de grafito se encuentran sobre granos de ferrita. Ver figura 2.

Las fundiciones Grises se dividen también en siete tipos (20, 25, 30, 35, 40, 50 y 60), los cuales expresan en miles de

psi la mínima resistencia a la tensión de cada material. La tabla 1 presenta esta clasificación junto a otros datos de

interés.

El nombre de Fundición Gris, procede de su color de fractura.

Aplicaciones Típicas

Soportes, válvulas, palancas, cilindros y bloques de motores.

3:


Hierro Blanco

El hierro blanco se caracteriza por contener cementita (carburo de

hierro) como su constituyente principal, es bastante duro y frágil,

teniendo gran resistencia al desgaste y poca capacidad de

maquinado. La figura 3 contiene una micrografía de este tipo de

fundición.

El hierro blanco también se utiliza en grandes volúmenes para la

fabricación de fundición maleable.

La superficie de rotura de esta aleación tiene una tonalidad blanca

la cual le da su nombre.

Fundición Maleable

Esta fundición se obtiene a partir del hierro blanco (no aleado)

tratado térmicamente con un proceso de recocido, elevando su

temperatura entre 800 y 950°C, durante periodos prolongados y

en atmosfera neutra (para evitar la oxidación) de esta manera se

descompone la cementita formada durante la solidificación, y se

transforma en nódulos de grafito.

La figura 4 contiene una micrografía de fundición maleable

europea, esta se obtiene realizando el citado tratamiento durante

uno o dos días, en presencia de oxido férrico, el cual oxida el

carbono superficialmente, con la consecuente reducción del

contenido de este en la composición final.

4:


En la imagen anterior se pudo observar el fondo perlítico y el

Carbono revenido y uniformemente distribuido.

La figura 5 contiene la imagen de una fabricada en USA, esta se

produce prolongando el recocido, en algunos casos hasta por ocho

días, vemos la estructura de fondo ferrítica, en la que los nódulos

irregulares del Carbono revenido están uniformemente

diseminados.


Tubos de dirección, engranajes de transmisión, armamentos,

válvulas para ferrocarriles y elementos para barcos y herramientas

pequeñas tales como: llaves, prensas de mano y tijeras.

En la tabla 2 se detallan las propiedades básicas de las fundiciones maleables.

Fundición Dúctil

También denominada Fundición Esferoidal o Fundición Nodular, se caracteriza por presentar el grafito en forma

esferoidal, esto es producido por la adición de magnesio a la colada. Para producir este metal se requiere cumplir

varios pasos.

1. Desulfurización: El Azufre hace que el grafito crezca en forma de hojuelas, se obtiene hierros con bajo

contenido de Azufre fundiendo materiales con baja carga de azufre; o fundiéndolos en hornos que eliminen

el azufre durante el proceso de fusión, o mezclando el hierro con algún elemento o compuesto

desulfurizante.

2. Nodulación: El magnesio que se agrega, elimina cualquier

Azufre y Oxigeno que todavía quede en el metal liquido y

deja un residuo de 0.03% Mg, el cual aumenta el

crecimiento del grafito esferoidal. El magnesio se agrega

aproximadamente a los 1500 °C.

3. Inoculación: El magnesio por si mismo es un estabilizador

de carburos, y hace que durante el proceso de

solidificación se forme fundición blanca. Por lo anterior,

después de la nodulación, se debe inocular el hierro con

aleaciones de FeSi.

5:


En la figura 6 se puede observar esta clase de microestructura.

En la tabla 3 podemos identificar algunas propiedades mecánicas de este tipo de fundición.


Válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, componentes para automóviles, matrices para el estampado y troquelado

de otros metales metales.

Comprendiendo un poco la diferencia de cada tipo de fundición, podremos adentrarnos en el ámbito de la

soldabilidad, así como también de algunas recomendaciones referentes a la identificación del material.

MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN

Cuando se labora en un taller son muchas las ocasiones en que llega algún elemento o pieza de maquinaria para ser

reparada, adonde el cliente desconoce por completo el tipo de material que necesita ser soldado; dicha

incertidumbre debe ser eliminada por completo, por medio de documentos técnicos que especifiquen los materiales,

o en su defecto por medio de algunos ensayos superficiales realizados por un soldador experimentado.

Como en cualquier metal, el tipo de microestructura es el que determina las propiedades mecánicas del mismo, por

lo tanto será importante identificar de la mejor manera posible el material a soldar. Esto permitirá seleccionar el

tipo de electrodo a aplicar –tamaño, composición, tipo de proceso, etc-; aporte térmico adicional-

precalentamiento, poscalentamiento, etc-; sujeción; amartillado; etc.

Los aspectos más relevantes a tener en cuenta durante el proceso de identificación de una pieza de fundición, para

su posterior reparación son los siguientes:

� Especificación del metal

� Historial térmico

� Historial mecánico

� Uso

� Identificación Visual de Superficie

� Identificación Visual de Fractura

� Identificación de Chispa

6:


Especificación del metal.

Cuando una pieza es nueva o de reciente adquisición, esta podría tener alguna especificación (documento) adonde

se determine el tipo de material, composición, propiedades mecánicas, etc; de tal manera que la reparación de esta

se determinara como resultado de esta información, como también por la configuración de la pieza y espesor de

pared. Será mucho mas fácil realizar una aplicación de soldadura para la reparación de dicho elemento.

Historial térmico

En el caso de que sea una pieza un poco antigua y no exista ninguna especificación, pero se conoce su historial

térmico y mecánico. Esto se entiende como, ¿que tratamiento térmico se le aplico al fabricarse? ¿Trabaja bajo

condiciones de temperatura constante o variable? ¿Fue reparada anteriormente? ¿En que parte? Etc. Si esta

información esta disponible será de gran utilidad para desarrollar un método de reparación.

Historial mecánico

¿El elemento a reparar; durante su vida útil permanece sometido a algún tipo de fuerzas de tensión, tracción,

compresión o impacto? Etc. ¿Fue reparado con anterioridad? Etc

Uso

Conocer el tipo de función que esta pieza cumple en el conjunto o equipo, es supremamente importante para poder

planificar un buen proceso de reparación. Se deberá identificar: ¿Que hace la pieza? ¿Permanece en ambiente seco o

sumergida en algún fluido?

Identificación visual de superficie

La observación de la parte superficial externa del elemento de fundición (el brillo, la rugosidad y el color) nos

brinda algunas evidencias de la naturaleza de la aleación. Las piezas que han sido fundidas en arena tienen un

aspecto bastante rugoso y generalmente tienen formas bastante complejas, en cambio en las forjadas el aspecto es

escamoso y poco rugoso pero con diseños simples. Otra manera para identificar la naturaleza del material de

fundición, es por medio de limar la superficie de la pieza, en sentido transversal a la máxima longitud del elemento,

conforme sea el aspecto de las líneas del limado podremos identificar su naturaleza así como también el grado de

dureza de este.

Identificación visual de fractura

La forma, color, y configuración de la superficie de fractura nos señala detalles como: dirección de rotura, punto de

inicio, naturaleza de la rotura (dúctil o frágil): por ejemplo una fundición maleable es dúctil y su apariencia es un

centro oscuro y una película exterior plateado –por causa del tratamiento térmico-; mientras una fundición gris es

bastante frágil su apariencia es cristalina y plana, su color es gris oscuro y al frotarla se observan trazas de grafito

que se adhieren a la piel; la apariencia de una fundición blanca es de un blanco brillante.

Identificación de chispa

Otro método empírico, utilizado para determinar el tipo de metal es el de la chispa producida por amolado. Este

consiste en identificar la cantidad de carbono presente en la composición por medio de observar las características

de la chispa: longitud, color, brillo, forma, etc. Lo anterior se puede definir conociendo de antemano el tipo de

7:


chispa de cada aleación, pero si no se conociera, será necesario realizarle la prueba a algún trozo de fundición de

chatarra (conocido) y así por comparación precisar el tipo de material.

Es importante identificar simultáneamente si dicha fundición fue tratada térmicamente, ya que aunque fuese una

fundición conocida, esta seria alterada microestructuralmente por tal proceso; y las características de las chispas

cambiaran drásticamente.

Se recomienda mantener muestras de metales de

especificación conocida, por cuanto serán de gran utilidad

para comparar e identificar el tipo de material a reparar.

En la figura 7 podemos observar algunas diferencias en las

chispas de algunos hierros.

a Hierro forjado

b Fundición maleable

c Fundición gris

d Hierro blanco

SOLDABILIDAD DE LAS FUNDICIONES FERROSAS

En general la soldabilidad metalúrgica de las fundiciones ferrosas, depende de los siguientes factores:

La composición química (CE) es decir, el nivel de carbono y otros elementos en la aleación, es un importante factor

en la determinación del grado de soldabilidad del elemento, ya que en fundiciones no tratadas, este es el que

establece el tipo de microestructura final. En las fundiciones tratadas térmicamente la formación final de

microconstituyentes es compartida tanto por el CE como por el tipo de tratamiento térmico aplicado.

Sabemos que el tipo de microconstituyente es el que define las propiedades mecánicas de un metal, por lo tanto

deberá ser el primer factor a tener en cuenta al proyectar una reparación en un elemento de fundición.

El papel o finalidad de la pieza, también es de gran importancia en la factibilidad del proceso de reparación de una

fundición, por causa que si este ha permanecido y/o labora bajo ambientes grasos o sumergido en algún tipo de

fluido, esto producirá que la microestructura se hubiera contaminado (los constituyentes de las fundiciones son un

poco porosos) por absorción. Pero adicional a esto si el accesorio labora bajo altas temperaturas (en ambiente seco

y/o húmedo) es muy probable que por causa del requemado, se presenten estructuras de alta fragilidad por

crecimiento de grano.

8:


Bien podemos resumir que la reparación de un elemento de fundición es un asunto que requiere toda nuestra

atención en procura de generarle una vida útil adicional sin que se presenten fracturas –por lo menos- en la misma

sección reparada.

La selección del tipo de material de aporte depende –entre otros- del tipo de fundición, de la configuración de la

pieza, espesor de la sección afectada, nivel de contaminación del elemento y tamaño de la pieza.

Las fundiciones ferrosas se pueden reparar por medio de los siguientes procesos:

� OFW

� SMAW

Nota: En USA y algunos países de Europa ya se están desarrollando metales de aporte para fundiciones ferrosas incluso para los procesos FCAW y GMAW, en Latinoamérica no se ha masificado su uso.

La soldadura de fundiciones ferrosas realizada con el proceso OFW se recomienda para piezas pequeñas y de poco

espesor, por lo general menor a ¼”. Estas se realizaran usando aportes de Ni o Cu puros o aleados.

La aplicación de soldadura SMAW para reparar fundiciones ferrosas se puede realizar en caliente o en frio.

Recomendaciones para soldeo en caliente.

Con el proceso SMAW, es más recomendable reparar elementos de gran tamaño y peso, este método nos brinda

mejores resultados al generar depósitos más sanos, por cuanto el metal de aporte se mantiene mas tiempo en

estado liquido, facilitando la evaporación de impurezas y gases.

Por medio del proceso OFW es más factible el soldeo de piezas de reducido espesor y tamaño.

1. Seleccionar el electrodo que genere el mínimo aporte térmico.

2. Si se ha de maquinar aplicar electrodos de Níquel, Cromo o Cobre, puro o sus aleaciones.

3. Realizar una buena preparación superficial retirando los óxidos, grasas y aceites por medio de

maquinado, amolado, grata y/o productos químicos (por ejemplo Tetracloruro de Carbono).

4. Perforar los extremos de las grietas para limitar su prolongación.

5. Cuando se ubiquen grietas, estas se biselaran preferentemente en U y no en V ya que de esta forma limitan

la aparición y prolongación de las fisuras.

6. Soldar primero sobre las secciones biseladas dejando de ultimo las perforaciones hechas con taladro.

7. Bloquear en lo posible las corrientes de aire sobre la pieza.

8. Precalentar la fundición, entre 450 y 650˚C, con flama o en horno.

9. Mantener la temperatura de precalentamiento, hasta que se concluya la operación de soldeo.

10. Soldar con cordones largos y sin martillar.

11. Limpiar y eliminar la escoria entre cordón y cordón.

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12. Al concluir cada cordón, dejar que este se enfríe (la temperatura no deberá exceder aquella que soporta la

mano en contacto con la pieza) para aplicar el siguiente,

13. Enfriar lentamente en horno o con cal, asbesto, ceniza entre otros. Estos materiales se deberán precalentar

entre 20 y 25 °C, antes de sumergir la pieza en ellos.

Recomendaciones para soldeo en frío.

1. Seleccionar el electrodo que genere el mínimo aporte térmico.

2. Utilizar electrodos de poco diámetro y con bajo amperaje, pero suficiente para producir una buena

fusión.

3. Realizar una buena preparación superficial retirando los óxidos, grasas y aceites por medio de

maquinado, amolado, grata y/o productos

químicos (por ejemplo Tetracloruro de Carbono).

4. Perforar los extremos de las grietas para limitar su

prolongación.

5. Las grietas se biselaran preferentemente en U y no

en V ya que limitan la aparición y prolongación de

las fisuras.

6. Limitar en lo posible las corrientes de aire sobre la

pieza.

7. Mantener el mínimo aporte térmico.

8. Aplicar cordones de hasta 1 ½” de longitud y sin

oscilación; efectuando la aplicación de cordones

“Paso de Peregrino”.

9. Golpear moderadamente cada cordón con el

propósito de aliviar tensiones.

10. Aplicar cordones alternados a la pieza para

evitar el calentamiento de esta.

11. Limpiar la escoria entre pases para evitar la

inclusión de escoria.

12. Controlar su lento enfriamiento.

Para aumentar la resistencia mecánica en piezas que están

sometidas a grandes esfuerzos, se pueden colocar

pernos en las caras biseladas, posterior a su perforación.

Los espárragos no se recomiendan para espesores menores

de ½”. Los espárragos muy unidos debilitan la pieza y

muy separados no le dan la consistencia necesaria, por

10:


lo tanto, deben colocarse separados entre si unas tres veces el diámetro del espárrago, la profundidad debe ser de 1.5

veces el diámetro y deberá sobresalir entre el 50% y el 80% del diámetro. Estos espárragos deben quedar bien fijos,

de lo contrario debilitarían la pieza. Una vez colocados, se procede a soldar, aplicando un cordón alrededor

de cada uno de ellos, antes de rellenar el bisel en sentido longitudinal.

La Figura 8 nos muestra tres imágenes sobre el método de reparación de una gran prensa.

Tipos de metales de aporte para fundiciones ferrosas.

Existen básicamente dos:

� Ferrosos: (fe- C y aleado) poca o nula maquinabilidad. Únicamente para el proceso SMAW.

� No ferrosos: (Pueden ser de Níquel, Cromo, Cobre, o sus compuestos) buena u optima

maquinabilidad. Para los procesos SMAW y OFW.

Algunos datos sobre fundiciones ferrosas

Estadística mundial de producción de fundiciones.

� Fundición gris, 80%

� Hierro Blanco, 10%

� Fundición Maleable, 5%

� Fundición Dúctil, 5%

Nivel de soldabilidad de las diferentes fundiciones

� Fundición gris, fácilmente soldable.

� Hierro Blanco, muy limitada soldabilidad.

� Fundición Maleable, muy limitada soldabilidad.

� Fundición Dúctil, buena soldabilidad.

CONCLUSIÓN

Por cuanta cada pieza de fundición tiene unas características e historia térmica y mecánica únicas, es necesario

diseñar un pr0cedimiento también muy específico para la aplicación de soldadura de mantenimiento y reparación.

REFERENCIAS

� ASM Metal Handbook. Volume 6. Welding, brazing and soldering. Nineth edition. 1994.

� ASM Metal Handbook. Volume 2. Welding process. Nineth edition. 1994.

� ASM Metal Handbook. Volume 15. Casting. Nineth edition. 1992.

� AWS. Welding Handbook. Welding and their Weldability. Eighth edition. 1991.

11:


� AWS. Welding Handbook. Welding processes. Eighth edition. 1991.

� AWS. Welding Handbook. Application. Ninth edition. 1996.

� Cary Howard B. Modern welding technology. Third edition. Regents / Prentice Hall. 1994.

� The James F Lincon Arc Welding foundation, The Procedure Handbook of Arc Welding. Fourteenth Edition.

2000.

� Welding Metallurgy. Sindo Kou, 2 edition, 2003.

� Metalcasting and Molding Processes, American Foundrymen's Society, 1981

� Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3 edición, Donald askeland.1998.

� Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, edición en español, William Callister, 1996.

� The James F Lincon Arc Welding foundation, Metals and how to weld them. Second edition, 1990.

Por: Mikayáh Lévi, docente y empresario, Consultor en Soldadura, Bogotá, Colombia.

FUNDICIONES DE ACEROS AL CARBONO

INTRODUCCION

El acero es uno de los materiales más complejos y versátiles usados en la fabricación de piezas. Las variaciones en

composición química son extremadamente numerosas y las propiedades mecánicas se logran seleccionando

solamente los tratamientos térmicos. Se fabrican en variados espesores, pesos y tamaños, formas simples e

intrincadas.

El Acero

El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% C hasta menos de un

2,11% C) y otros elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción como el manganeso y silicio o a la

dificultad de excluirlos totalmente del metal como el azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno o a

circunstancias casuales cromo, níquel, cobre y otros. Tienen características muy bien definidas, y el contenido de

carbono influye sobre sus propiedades y características, es así que el aumento del contenido en centésimas por

ciento de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que

disminuya la tenacidad y la ductilidad.

El contenido de carbono influye en la soldabilidad del acero, a mayor contenido de carbono se dificulta la operación

de soldeo y a menor contenido de carbono se incrementa su soldabilidad.

12:


Fundición de Acero

Acero fundido es aquel que es vertido o vaciado en molde de arena o metálicos, donde solidifica y adquiere la forma

exacta de la cavidad del molde, de modo de presentar la forma prácticamente definitiva, sin necesidad de ninguna

transformación mecánica posterior.

Además del carbono (0,05 – 2,10%) el cual imparte las propiedades básicas al acero, otros elementos, que se

encuentran en los aceros conformados también están presentes en los aceros fundidos. Estos incluyen al

manganeso, silicio, fósforo y azufre. Estos elementos usualmente están el siguiente rango:

� Manganeso (%) 0,5 – 1,0

� Silicio (%) 0,2 – 0,8

� Fósforo (máx. %) 0,05

� Azufre (máx. %) 0,06

� Aluminio (%) 0,0 – 0,10

� Otros elementos residuales como Níquel y Cobre pueden estar presentes.

Hay materiales conteniendo entre 1,7 a 2,0% C que no presentan grafito, se llaman aceros, sin embargo hay otras

piezas con menos de 1,7 % C que presentan grafito. De allí que se hace difícil marcar un límite del contenido de

carbono entre los aceros y fundiciones.

El gran empleo del acero fundido se debe al hecho que se puede producir, por fundición, piezas de una gran variedad

de formas y dimensiones, con resistencia y tenacidad razonables y a un costo relativamente bajo.

En realidad desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se admite generalmente que el material fundido sea

de calidad menor al trabajado por conformado. Además de eso, es frecuente que las piezas fundidas presenten

algunos defectos superficiales o internos, típicos de los procesos de fundición. En rigor, por lo tanto las piezas de

acero fundido deben poseer ciertos requisitos, los más importantes son:

1. Homogeneidad (sección sana en toda su extensión)

2. Granulación fina.

3. Completa ausencia de tensiones internas.

El primer requisito es alcanzado mediante el proyecto adecuado de la pieza y del molde, con los sistemas de colada

y alimentación debidamente localizados y mediante apropiada desoxidación del acero en la fusión.

Los otros, granulación fina y ausencia de tensiones internas se logran mediante el tratamiento térmico apropiado

que posibilite normalizar la textura excesivamente gruesa y dendrítica del acero fundido y eliminar las tensiones

internas originadas durante la solidificación del metal en el interior del molde y que pudieran originar torceduras y

distorsiones de las piezas en servicio.

Debido a la importancia del asunto, se harán a continuación algunas consideraciones de de orden técnico relativas

al proyecto de las piezas y moldes correspondientes, así como a los métodos de producción, fundición del acero,

vertido, etc.

13:


Tipos de acero para fundición

Para piezas fundidas de acero al carbono, el contenido de carbono determina una clasificación usada para las

fundiciones comerciales. Pueden ser considerados cinco clases de aceros fundidos comerciales:

1. Aceros de bajo Carbono (C inferior a 0,20%)

2. Aceros de medio Carbono (C entre 0,20 y 0,50%)

3. Aceros de alto Carbono (C sobre 0,50%)

4. Aceros al Carbono de bajo contenido de aleación (contenido total de aleación inferior al 8,0%)

5. Aceros de alta aleación (contenido total de aleación superior al 8,0%)

Hay piezas fundidas hechas de acero a los cuales se adicionan manganeso o silicio en mayor proporción que la

requerida para la desoxidación completa (arbitrariamente sobre 1,0%) o uno o más elementos aleantes se agregan,

estos son principalmente cromo, níquel y molibdeno, pero también se puede incluir, Boro, Cobre, Cobalto,

Tungsteno, Aluminio, Vanadio, Titanio y Niobio.

Aceros de bajo carbono

Presentan en su mayoría, la composición química siguiente:

C 0,16 a 0,19%

Mn 0,50 a 0,80%

Si 0,35 a 0,70%

P 0,05% máx.

S 0,06% máx.

Manganeso y Silicio: En los aceros al carbono, ambos elementos son residuales, resultantes de la práctica de la

desoxidación, están en solución, disueltos en la ferrita y no son visibles cuando el acero es examinado al

microscopio. Ambos elementos confieren resistencia y dureza, influyen sobre la transformación del acero cuando se

enfría desde elevadas temperaturas, en otras palabras ellos incrementan la templabilidad del acero.

Azufre: El manganeso se combina con el azufre que está presente en el acero para formar un compuesto no

metálico, el sulfuro de manganeso que es una inclusión. El rol del aluminio como desoxidante sirve para controla la

forma y distribución del sulfuro. Son identificados cuando se examinan en el microscopio porque no son solubles en

el acero sólido. Como todo el azufre aparece como inclusiones de sulfuro, el contenido de azufre es limitado a

0,06% máximo para evitar el efecto dañino sobre la ductilidad y tenacidad que podrían afectarse si el azufre está en

exceso.

Fósforo: El fósforo es limitado al 0,05% debido a la tendencia a la fragilización del acero a bajas temperaturas,

principalmente para cortos enfriamientos. Como el manganeso y silicio es soluble en el fierro y no es visible en el

análisis microscópico, como sí aparece en el fierro fundido como esteadíta.

La tabla 4 muestra las propiedades mecánicas de aceros al carbono de bajo carbono típicos para fundiciones en

estado recocido. No hay mucha diferencia entre las propiedades de esos aceros en los estados recocido, normalizado

14:


e incluso en estado fundido. Sin embargo, las piezas fundidas a partir de esos aceros son recocidas o normalizadas

para refinar o normalizar su estructura y aliviar las tensiones internas sobre todo cuando se trata de piezas con

diferentes secciones.

Propiedades de resistencia a la tensión de aceros f undidos de bajo contenido de carbono

Resistencia Punto de Elongación Reducción

Carbono a la tensión Fluencia en 2 pulgadas de área

% Lb /in2 Lb / in2 % %

0,10 56 000 29 000 36,0 64,0

0,15 62 000 33 000 33,0 58,0

0,20 68 000 38 000 30,0 52,0

Tabla 4

Eventualmente las propiedades pueden ser ligeramente mejoradas por temple y revenido siempre que la forma de las

piezas fundidas permitan el temple en agua sin fisuración. Las piezas fundidas de acero al carbono con bajo

contenido de carbono presentan buena soldabilidad y pueden ser endurecidas superficialmente por cementación. Se

emplean en diferentes equipos y maquinarias, donde las formas son, en general, simétricas y las condiciones para la

aparición de tensiones han sido bien determinadas, de modo que sean evitadas; o en formas y dimensiones de lo más

variadas, para usos en general que exigen tratamientos de alivio de tensiones.

Las propiedades magnéticas de estos tipos de aceros para fundición tornan las piezas resultantes indicadas para la

fabricación de equipos eléctricos.

Para mejorar la maquinabilidad se acostumbra a aumentar el contenido de azufre hasta 0,08%.

Aceros de medio Carbono

Estos aceros presentan la siguiente composición:

C 0,20 – 0,50%

Mn 0,50 – 1,50%

Si 0,35 – 0,80%

P 0,05% máx.

S 0,06% máx.

15:


Las piezas fundidas con aceros de mediano contenido de

carbono son siempre sometidas a tratamiento de alivio de

tensiones para refinar la estructura y mejorar la ductilidad.

Muchas piezas son revenidas después de ser normalizadas.

Las mejores propiedades de mecánicas de estos materiales

se obtienen por temple en agua y revenido posterior, cuya

temperatura puede llegar a 650ª hasta 750ºC para

obtención de mejor ductilidad y resistencia al choque.

Efecto del contenido de Carbono sobre las propiedades del

acero de medio carbono normalizado, ver figura 9.

El manganeso, en los contenidos más elevados mejora la

resistencia mecánica, como sería de esperar. Estos aceros

presentan también buena maquinabilidad y soldabilidad.

La mayoría de las aplicaciones industriales de piezas

fundidas son hechas con estos tipos de acero, destinada

sobre todo a la industria automovilística, ferroviaria, naval,

de equipos eléctricos, maquinaria agrícola, equipos de

excavación y construcción, etc.

Aceros de alto carbono

Para piezas fundidas, presentan la siguiente gama de composición química:

C Mayor a 0,50%

Mn 0,50 – 1,50%

Si 0,35 - 0.70%

P 0,05% máx.

S 0,05% máx.

La figura 10 (Efecto del contenido de Carbono sobre

las propiedades Mecánicas de los aceros de alto

carbono para fundición) muestra las propiedades

mecánicas en estado de recocido de estos tipos de

aceros. Las piezas fundidas pueden ser

ocasionalmente sometidas a un normalizado y

revenido, el temple en aceite y revenido mejoran

apreciablemente las propiedades mecánicas.

Las principales aplicaciones de estos aceros son

hechas cuando se exige altas durezas y resistencia a

16:


la abrasión, en piezas tales como matrices o estampas, cilindros de laminadores, partes de máquinas operativas,

etc.

Desoxidación

Los aceros fundidos todos vienen con la denominación de “aceros calmados” Estos aceros que han sido tratados en

el estado líquido con desoxidantes para evitar las reacciones que formen gas durante la solidificación que son los

causantes de porosidad en los aceros. Los desoxidantes usuales son del grupo del silicio, manganeso, aluminio,

titanio, calcio, zirconio y selenio. Algunos de estos elementos tienen una doble acción, desoxidantes y como

elementos aleantes combinándose como por ejemplo con el nitrógeno, azufre o el carbono.

En el proceso de desoxidación, ellos forman carburos, nitruros y sulfuros, algunos aparecen en el acero sólido como

inclusiones no metálicas. Ellos también modifican el tamaño y la naturaleza de las inclusiones no metálicas y el

crecimiento del grano característico durante los tratamientos térmicos. Una apropiada manipulación del proceso

de desoxidación puede ejercer algún control sobre las propiedades mecánicas del acero.

Propiedades generales de ingeniería

La principal característica del acero, que le distingue de otros materiales ferrosos, es la combinación de gran

resistencia, ductilidad y tenacidad. Ocasionalmente para propósitos especiales los aceros son producidos con una

considerable resistencia a la tensión, soportando hasta las 200.000 psi. Algunos grados son hechos adoptando

propiedades resistentes a la corrosión, abrasión, erosión fallando a alta o baja temperatura, y combinaciones de

condiciones de servicio destructivo extraordinarias. La Tabla 5 señala los rangos de composición química y

contantes físicas de algunos aceros fundidos. Los rangos son amplios debido a la variedad de aleaciones y

tratamientos térmicos usados.

La gran variedad de combinación de

elementos factibles para usarlos en la

producción de aceros aleados y los

enormes rangos de propiedades físicas

son hacen posible a través de la

composición química y el tratamiento

térmico.

Métodos de manufactura

La mayoría de las piezas fundidas en

acero se fabrican en moldes de arena,

aunque algunas son hechas por fundición

centrifugada, pero por las altas

temperaturas de colada y el alto grado de

contracción limita el proceso de moldes

permanentes.

17:


Los moldes para fundir piezas de acero deben

poseer propiedades especiales, deben soportar las

altas temperaturas de vertido del metal fundido,

permitir el escape de los gases generados en el

molde y también deben ser preparados para que

el metal fundido sea introducido dentro de la

cavidad del molde en el volumen correcto y a una

velocidad adecuada, debe ser hecho para

asegurar la solidificación de la pieza, con el

sistema de alimentación que compense la

contracción volumétrica y que la contracción

sólida ocurra fácilmente. Ver Figura 11, una pieza

de acero al carbono fundida, con sistemas de

alimentación y de colada o vertido.

Para la preparación de los moldes, hoy se cuenta

con materiales aglomerantes como las resinas

con aldehídos, furánicas o alquímicas que tienen alta resistencia y facilitan la contracción, el desmolde, buen

acabado superficial, mayor precisión que los moldes convencionales.

Las piezas fundidas luego de solidificadas y enfriadas adecuadamente en el molde son limpiadas y extraídos los

sistemas de alimentación y colada y otros excesos de metal con sistemas mecánicos de corte, con arco eléctrico o

gas. Según el trabajo a realizar estas piezas son sometidas a tratamientos de recocido, normalizado o temple en

agua o aceite según el tenor de carbono, y luego el revenido.

18:


Muchas veces solo se realiza un aliviado de tensiones,

calentando las piezas a temperaturas debajo del rango

crítico, para eliminar las tensiones que durante la

solidificación han ocurrido y luego se enfrían a una

velocidad de 250 y 320 °C por hora hasta temperatura

ambiente.

Cambios estructurales

Esencialmente el acero es una aleación de los elementos

Hierro y Carbono, el Carbono está limitado a 2,11% El

Fierro tiene varios grados de solubilidad del carbono en

función de la temperatura. Estas relaciones y sus

modificaciones por otros elementos químicos y el

tratamiento térmico, provee una variedad de estructuras

microscópicas. El control de estas estructuras da al

acero un amplio rango de propiedades. Una ayuda para entender las estructuras del acero es la información que

muestra el diagrama Fierro – Carbono, Figura 12, el cual representa la constitución de las aleaciones Fierro-Carbono

en equilibrio a cualquier temperatura. La temperatura está ploteada verticalmente y la composición (en porcentaje)

horizontalmente. Cualquier punto en el diagrama representa una aleación definida a una temperatura definida.

Es evidente que a temperatura ambiente el Fierro que no

contiene Carbono, presenta una única estructura, la

Ferrita (Figura 13) la cual es el constituyente más blando

del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm2 (2,7 MPa). Es

ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768 ºC. A

partir de esta temperatura hasta los 910 ºC su

comportamiento es paramagnético. La ferrita puede

disolver muy pequeñas cantidades de carbono.

Los aceros que contienen cerca de 0,77% C presentan

como estructura algunos granos de Ferrita y granos de

Perlita, variando ésta de cero a cien por ciento. Ver

Figura 14, micrografía, acero con 0,77% C con

transformación total de Austenita a Perlita (Ferrita

blanca y Cementita laminar oscura.

Otros microconstituyentes

Las texturas básicas descritas (perlita y ferrita) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin

embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener

estructuras cristalinas diferentes: Los diagramas Tiempo – Temperatura – Transformación se han establecido para

explicar el comportamiento de muchos aceros cuando la descomposición de la austenita es eliminada.

19:


La Martensita es el constituyente típico de los aceros

templados y se obtiene de forma casi instantánea al

enfriar rápidamente la austenita. Es una solución

sobresaturada de carbono en hierro alfa con

tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la

sustitución de la estructura cúbica centrada en el

cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la

Cementita (y los carburos de otros metales) es el

constituyente más duro de los aceros. Figura 15. La

Martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia

a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento

del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto

acicular formando grupos en zigzag con ángulos de

60 grados.

El tipo de martensita depende del contenido de C que

contenga el acero, ver figura 16.

a) %C < 0,6 Martensita en "cintas"

b) 0,6 a 1 %C Mixta

c) 1,2 < %C Martensita en agujas

La martensita se produce sin difusión, como la reacción ocurre rápidamente y a tan baja temperatura no hay

tiempo para que la difusión actúe. La transformación no requiere superar mediante activación térmica una barrera

de energía, por lo tanto se llama transformación atérmica. No hay cambios de composición en el paso de austenita

a martensita, no originándose la migración de los átomos de Carbono.

Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la Bainita, (Figura 17) estructura similar a la perlita formada

por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla.

También se puede obtener Austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gamágenos (que

favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros

inoxidables austeníticos.

20:


Soldabilidad de los aceros fundidos

Los aceros fundidos y las piezas de aceros fundidos tienen la

característica de soldadura comparable con los aceros de la misma

composición química hechos por otros procesos de manufactura.

Quizá alguna diferencia sería que casi todas las piezas fundidas

después de soldadas son tratadas térmicamente, estos eliminan dos

desventajas de soldadura de los aceros conformados, los puntos

duros adyacentes a la soldadura y severos esfuerzos de soldadura.

Ver Figura 18.

La soldadura en piezas fundidas de acero se requiere por varios propósitos:

� Reparar defectos de manufactura.

� Unir varios componentes de piezas de variada geometría.

� Unir partes fundidas a otras partes de acero conformado.

� Reparación de piezas en trabajo.

De los varios métodos de soldadura, son los procesos SMAW y OFW los más usados.

Es muy importante tener en cuenta, el concepto de Soldabilidad en aceros al carbono así como en los de baja y

media aleación, también el concepto de Carbono Equivalente conocer las tendencias actuales en la fabricación de

aceros para soldadura de piezas fundidas, como la influencia de la velocidad de enfriamiento y de la dureza

equivalente y la selección de temperatura de precalentamiento y tratamientos térmicos post soldadura.

La temperatura de precalentamiento, es aquella que debe tener previamente un material antes de ser soldado. La

soldabilidad del acero está en relación directa con el tipo de acero, el espesor de la pieza lo que se vincula con la

velocidad de enfriamiento una vez terminada la soldadura de la pieza.

La velocidad de enfriamiento está en

función de la composición química,

espesor, entrada de calor, velocidad

de avance, amperaje, tipo de

electrodo. Esta velocidad de

enfriamiento está relacionada

directamente con las

transformaciones que sufre el acero.

El propósito del precalentamiento es

disminuir el gradiente térmico entre

el metal base y el material de aporte,

disminuir la velocidad de

enfriamiento, mejorar la ductilidad

del metal base, mejorar la

distribución de las tensiones internas en un área mayor y mejorar la velocidad de soldeo.

21:


La temperatura de precalentamiento está en función de: Proceso de soldadura, material de aporte, material base y

la forma de la pieza. Un estudio de la zona afectada por el calor nos permite deducir que aplicar un proceso de

soldadura sin ningún control produce cambios severos en la estructura del acero,

Hay varios métodos para calcular la temperatura de precalentamiento, todos coinciden con dos factores

importantes composición química y espesor a los que se agrega el factor de difusión de hidrógeno (cantidad de

hidrógeno en el revestimiento.

� Método de Zeferian (el más conocido y usado)

� Método de British Welding Reserach Association

� Método del Instituto Internacional de Soldadura (IIS)

� Método de Ito y Bessyo (Instituto Japonés de Soldadura)

El Método de Zeferian: Para aceros al carbono y de baja aleación:

Tpc (f) composición química y el espesor.

350 0, 25Tpc c= −

Donde c = Cq + Ce Cq= carbono químico Ce = carbono espesor

( )360 % 40 20% 28%

360

C Mn Cr Ni MoCq

× + × + + ×=

0,005Ce e Cq= × × e = espesor en mm.

El Método de Ito Bessyo: Para aceros C-Mn, de baja aleación, templados y revenidos:

1440 392ºTp Pf C= × −

Pf = Parámetro de fisuración en función de:

� Composición química. � Efecto del hidrógeno expresado en cm3/100 gramos de metal depositado (H2) � Estado de tensión residual – medido por el grado de embridamiento “A” que afecta el espesor “t”

2530 20 60 15 10 600 60

HSi Mn Cu Cr Ni Mo V A TPf C B

+ + × = + + + + + + + +

A = Grado de embridamiento

A = 1 (Para empalmes con libertad de contracción)

A = 2 (Para empalmes fuertemente embridados)

22:


A = 1 a 2 Para empalmes con embridamiento medio

• H2 = efecto del hidrógeno; entre 1 – 5 cm3 / 100 gramos de metal depositado (prácticamente para electrodos básicos).

• t: espesor, sólo entre 10 – 50 mm.

La soldabilidad de los aceros fundidos va incrementando su dificultad en la medida que se incrementa el contenido

de carbono por los efectos de endurecimiento en la zona afectada por el calor. Tabla 6.

Soldabilidad de los Aceros Fundidos

Tipo de Soldabilidad Relievado de esfuerzos

Acero Composición general Precalentamiento Recocido

I Aceros al carbono Fácilmente ninguno ninguno

Carbono < 0,30 soldable

Aceros de baja

aleación C < 0,15

II Aceros al carbono Soldar Preferible Preferible

C entre 0,35 - 0,5 con

Aceros de baja cuidado

aleación C 0,15 - 0,30

III Aceros al Carbono Difícil de Necesario Necesario

> 0,50 Soldar

Acero de baja

aleación, C > 0,30

aleantes > 3,0%

Tabla 6

Otra forma de clasificar la soldabilidad es relacionando la dureza del metal base que depende de la composición

química y el grado de precalentamiento. Ver Tabla 7. Si bien es necesario el relievado de tensiones para algunos

aceros, debe ser una práctica general para todos las piezas fundidas soldadas.

23:


Clasificación de la soldabilidad

Dureza promedio Relievado de

Grado HB Precalentamiento esfuerzos

I Debajo de 200 Innecesario Innecesario

II 200 - 250 Ligero para secciones Secciones gruesas

gruesas (o delgadas)

III 250 - 325 300ºF Todas las secciones

IV Arriba de 325 400ºF Sin enfriar desde el

precalentamiento

Tabla 7

Tratamientos térmicos regulares como el normalizado o el temple y revenido, eliminan la zona afectada por el

calor y mejoran las propiedades físicas del metal base y también del metal de soldadura si su composición es

apropiada.

Por: Ing. Samuel Rosario Francia, Profesor, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Perú.

24:


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