Hierro fundido maleable

Maleable ( latín temperare , moderado ' ) es un tipo de hierro fundido engastado que debido a su composición química y al proceso de solidificación según el sistema metaestable diagrama hierro-carbono solidifica el grafito y como por el momento es duro , surge quebradizo Temperrohguss en el molde. . Un tratamiento térmico posterior , el revenido , provoca una transformación estructural . La cementita en la estructura colada solo se desintegra después de un tiempo de recocido particularmente largo . El grafito resultante se conoce como carbono templado y se caracteriza por su característica forma nodular. Debido a esta forma, las escamas de carbono templado no rompen la relación entre la masa base metálica y con un potencial efecto de muesca como las laminillas de grafito en fundición con grafito laminar . Esta es la razón principal por la que la fundición maleable tiene mejores propiedades mecánicas que la fundición normal con grafito laminar y, por lo tanto, puede describirse como resistente y fácilmente mecanizable. El hierro fundido maleable se divide en hierro fundido maleable blanco y negro según la apariencia de la rotura.

Hierro fundido maleable

La estructura de la fundición maleable está formada por perlita y ledeburita. Se consigue ajustando la composición química en función del espesor de pared de las piezas a colar. Para todos los tipos de fundición maleable, la suma del contenido de carbono y silicio del 3,7 al 3,8 por ciento es decisiva. Con altos contenidos de silicio y en partes fuertes que se enfrían lentamente, el grafito a menudo se precipita durante la solidificación. Estas láminas, dispuestas como nidos, provocan roturas repugnantes. La temperatura de golpeo tiene tal influencia en la macroestructura, porque cuanto más alta es, más gérmenes nativos o extraños se derriten y la masa fundida se solidifica exógenamente . Los altos contenidos de carbono (2,6%) también provocan la solidificación exógena de la austenita primaria.

Hierro fundido maleable blanco

Estandarización

La fundición maleable blanca está estandarizada en DIN 1692 (antiguo) y DIN EN 1562 (nuevo desde 09.97). El antiguo nombre corto es GTW y el nuevo es GJMW. La abreviatura consiste en (EN-) GJ para hierro fundido, M para ( hierro fundido maleable: hierro recocido ) y W para ( blanco: blanco), entre otras cosas, se deben agregar a la abreviatura propiedades mecánicas y / o composición química. Si es necesario, se pueden especificar requisitos adicionales, por ejemplo, EN-GJMW-350. En DIN EN 1562 se registran cinco tipos:

^* Debido a las dificultades para determinar el límite elástico en muestras pequeñas, los valores y el método de medición deben ser acordados entre el fabricante y el comprador.

^** Más adecuado para soldar

^*** Información entre paréntesis según la antigua DIN 1692

Composición química

Directrices para la composición química del hierro fundido maleable.

• Carbono : 2.8-3.4% (relativamente alto)
• Silicio : 0,4-0,8% (relativamente poco)
• Manganeso : 0,4-0,6%
• Azufre : 0,12-0,25%
• Fósforo : 0,1%

El carbono y el silicio deben coincidir entre sí (la suma de carbono y silicio no debe exceder el 3,8%) de modo que incluso las secciones transversales más gruesas de una fundición maleable tengan una estructura blanca sin grafito después de la solidificación.

Fabricación (templado)

Con el fin de obtener una fundición maleable blanca, la fundición maleable (hipoeutéctica blanco hierro fundido ) se recuece ( "recocido"). Esto reduce en gran medida el contenido de carbono en la fundición. Esto hace que el yeso sea un poco más duro en el área del borde. La fundición bruta se templa a 1000 ° C durante aproximadamente 60 a 120 horas en una atmósfera oxidante (templada en un flujo de gas). Se producen las siguientes reacciones:

• Reacción 1 (dentro del casting):

  Fe ₃ C → 3Fe + C

• Reacción 2 (en la superficie de la pieza fundida):

  C + O ₂ → CO ₂

• Reacción 3 (descarburación real - proceso autoejecutable)

  CO ₂ + C → 2CO a esto viene nuevamente O ₂ + 2CO → 2CO ₂

La cementita (Fe ₃ C) de la fundición se descompone en tres átomos de hierro y uno de carbono en la primera reacción. Este carbón reacciona con el oxígeno de la superficie de la fundición y, por tanto, se retira de la fundición (reacción 2). En el curso de la lucha por igualar la concentración, el carbono de la pieza fundida continúa difundiéndose hasta el borde de la pieza fundida y se combina con el oxígeno del aire circundante. Esto descarbura gradualmente la pieza de trabajo (reacción 3). Al mismo tiempo, el carbono restante en el núcleo de la fundición se aglomera para formar nódulos de carbono templado. La descarburación de la pieza de trabajo depende en gran medida de la duración del proceso de templado y del grosor de la pared de la pieza fundida. La descarburación uniforme solo ocurre con un espesor de pared de 2-3 mm, con fundiciones más gruesas solo se descarbura el borde y se produce la descomposición de la cementita (Fe ₃ C) en hierro y carbón templado.

Formación de estructuras

Hierro fundido maleable blanco V = 100: 1

La estructura de la fundición maleable blanca con espesores de pared inferiores a 3 mm consta de una matriz ferrítica y muy pocos o nulos nódulos de carbono templado (en el medio). Con espesores de pared superiores a 3 mm, la estructura de la fundición maleable blanca se divide en tres zonas:

• La zona del borde descarburada, que consta de ferrita. La superficie contiene a menudo un borde intercalado con óxidos.
• La zona de transición, formada por una matriz básica ferrítico - perlítica y algunos nódulos de carbono templado.
• La zona central, formada por una matriz de base perlítica y pequeños nódulos de carbono templado.

La profundidad de descarburación se determina mediante una muestra de cuña recocida. Su sección pulida metalográfica proporciona información sobre la formación de la estructura. En el caso de un templado inadecuado, pueden producirse defectos estructurales. Por ejemplo, los nidos de grafito pueden provocar la llamada "rotura de suciedad", se crearon en la fundición en bruto. También puede producirse la descarburación, depositando carburos en el borde de la ferrita en forma de cementita secundaria, posiblemente ledeburita .

Propiedades y uso

Se prefieren los materiales de hierro fundido maleable debido a la secuencia de proceso utilizada en la producción de piezas fundidas. La limitación del peso unitario de unos pocos gramos a 100 kilogramos se debe al proceso de fabricación. Lo mismo se aplica al espesor máximo de pared de 20-30 mm. La resistencia a la tracción aumenta con el espesor de la pared, a medida que aumenta el contenido de perlita. Los tratamientos de templado adecuados ajustan las propiedades determinantes de la calidad con gran precisión y alta uniformidad (por ejemplo, áreas estrechas, más duras, buena maquinabilidad , alta resistencia y buena moldeabilidad , también soldable y galvanizable ).

Las propiedades de la fundición maleable blanca dependen del grosor de la pared. Se dividen en:

• propiedades mecánicas como:
  • buen alargamiento a la rotura (dependiendo del espesor de la pared)
  • buena resistencia a la tracción (aumenta con el porcentaje de perlita)
  • buena resistencia a la fatiga
  • fácilmente forjable, maleable
  • alta tenacidad
• propiedades físicas como:
  • buena maquinabilidad
  • buen comportamiento de soldadura
  • fácil de galvanizar
  • alta calidad superficial
  • buena resistencia a la corrosión (debido a las capas de óxido en la zona del borde)
  • se puede endurecer termoquímicamente ( endurecimiento de la caja )

solicitud

Piezas fundidas de paredes delgadas con buena resistencia a la fatiga para el mecanizado en líneas de transferencia; Por su ductilidad , se utiliza para componentes que están expuestos a cargas dinámicas (oscilantes o espasmódicos) y tienen que soportar altas fuerzas mecánicas (chasis y partes de dirección de vehículos de motor, componentes de seguridad que requieren documentación, elementos de ajuste y fijación para la construcción de circuitos) ; Accesorios y accesorios para la construcción de tuberías, numerosos componentes para la industria eléctrica por sus propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas; elementos portantes de líneas aéreas y de alta tensión; Elementos de conmutación, control y transmisión en la construcción de maquinaria y maquinaria agrícola; Debido a la buena moldeabilidad y la posibilidad de construcciones de paredes muy delgadas con precisión reproducible, cabe mencionar las propiedades; Para la fabricación de cerraduras y herrajes; Las piezas de trabajo de hierro fundido maleable ofrecen una amplia gama de opciones para crear propiedades específicas específicamente en el área del componente en la que se requieren (ha reemplazado a muchos otros materiales).

Hierro fundido maleable negro

Estandarización

La fundición maleable negra también está estandarizada en DIN EN 1562. La antigua abreviatura GTS también ha sido reemplazada y es GJMB, GJ significa hierro fundido, M significa "hierro fundido maleable" y B significa "negro".

Composición química

El hierro fundido maleable tiene generalmente una composición hipoeutéctica. Debido a la solidificación metaestable de la fundición maleable, el carbono está presente en forma ligada como cementita (Fe ₃ C) y, por lo tanto, no contiene grafito. El hierro fundido maleable tiene una estructura de fractura de color blanco plateado y es duro y quebradizo, por lo que es prácticamente inadecuado para uso técnico. El revenido hace que la cementita se desintegre y se disuelva en la estructura básica, que consiste en austenita a la temperatura de recocido. El hierro fundido utilizado para fabricar hierro fundido maleable negro tiene la siguiente composición:

• Carbono: 2–2,9%
• Silicio: 1.2-1.5% (relativamente alto)
• Manganeso: 0,4-0,6%
• Azufre: 0,12-0,18%
• Fósforo: aprox. 0,1%

El contenido de carbono es menor y el contenido de Si mayor que en la fundición maleable blanca.

Fabricación

Para la producción, el arrabio , la chatarra de acero, las ferroaleaciones y el material circulante (del sistema de colada y de compuerta de las piezas coladas) se introducen primero en el horno de cubilote (con un chorro de aire caliente) para su pre- fusión . Para establecer la temperatura de colada requerida y la composición química, el horno de arco eléctrico o el horno de inducción se conecta aguas abajo (proceso dúplex).
El recocido se lleva a cabo en dos etapas en una atmósfera neutra. Debido a la atmósfera neutra, el hierro fundido no se descarbura. Debido al alto contenido de carbono y silicio, la cementita se descompone completamente en ferrita y carbono templado: Fe ₃ C → 3Fe + C.

El carbono templado se crea mediante la precipitación de carbono elemental durante el recocido en forma de nudos o escamas. La apariencia de estos nodos depende de la relación manganeso-azufre. Como resultado, el material logra propiedades de ductilidad similares al acero.
La primera etapa de este tratamiento térmico también se denomina primera etapa de grafitización. Los carburos eutécticos se desintegran y disuelven en la estructura básica (austenita) a 940–960 ° C en un período de aproximadamente 20 horas. Como se mencionó anteriormente, el carbono elemental también se precipita como nudos de recocido. La estructura ahora consta de austenita y carbono templado.

En la segunda etapa, también conocida como segunda etapa de grafitización, se determina la estructura básica. Para iniciar la segunda etapa, la temperatura se reduce a aproximadamente 800 ° C. Si luego la temperatura se enfría lentamente (a 3-5 ° C por hora) entre 800 y 700 ° C o la temperatura se mantiene entre 760 y 680 ° C durante varias horas, se produce una transformación eutectoide estable. γ → α + C
El carbono tiene así la oportunidad de difundirse desde la austenita al carbono templado ya existente y formar parte de él. La estructura entonces consta de ferrita (matriz) y grafito y cualquier residuo de perlita. El carbono templado se distribuye uniformemente por toda la sección transversal de la muestra. El material es muy blando y se compone de ferrita y grafito. Ejemplo: GJMB - 350 Durante un enfriamiento rápido entre 800 y 700 ° C en el aire, el área eutectoide pasa rápidamente y se crea una estructura solidificada eutectoide metaestable de perlita.

El enfriamiento rápido crea una estructura martensítica. Después de templar, todavía se puede templar . A 600 ° C, por ejemplo, se produce GJMB - 700, a 700 ° C GJMB - 450. A 620 ° C, se forma la perlita (cementita globular).

Una característica de la fundición maleable negra es que la estructura es independiente del grosor de la pared excepto por una zona de borde estrecha de 0,2 mm de profundidad sin carbono templado debido al recocido no descarburación.

Formación de estructuras

En la primera etapa de recocido, la cementita de la ledeburita se desintegra a 950 ° C en austenita y carbono templado. Durante la segunda etapa de recocido, la austenita se descompone en ferrita y carbono templado. La estructura básica depende de la velocidad de enfriamiento en el área eutectoide.

• Estructura básica ferrítica
  Al enfriarse lentamente entre 700 y 800 ° C (para más detalles, ver producción), la transformación eutectoide tiene lugar en condiciones estables. γ → α + C
  La ferrita forma la matriz y el carbono templado se distribuye uniformemente si se aplican aproximadamente las mismas condiciones de enfriamiento en todas las áreas de la muestra. Cuanto menos manganeso y azufre hay, más compacto es el carbono templado. El manganeso y el azufre evitan que el grafito se aglomere en forma esférica, lo que resulta en la formación irregular y nodular del carbono templado.
• Estructura básica perlítica
  Al calentar a 700–800 ° C, enfriamiento rápido (enfriamiento previo, ver producción), el material solidifica metaestable a perlita. γ → α + Fe ₃ C. Aquí la perlita forma la estructura básica. Incluso con esta solidificación, el carbono templado se puede diseñar de manera diferente.
• Estructura básica martensítica
  Cuando se enfría muy rápidamente, surge la estructura martensítica. La difusión es suprimida por la muy alta velocidad de enfriamiento. El colapso parcial de la celosía espacial crea una celosía que es distorsionada y tensada por el carbono, y se crea martensita. La estructura de templado se crea templando la estructura martensítica o mediante el enfriamiento controlado de esta estructura.
• La estructura mixta
  también puede surgir estructura ferrítica-perlítica. Esto sucede cuando la solidificación eutéctica es parcialmente estable y metaestable. Fundir → γ + C (estable) y fundir → γ + Fe ₃ C (metaestable).

La transformación eutectoide vuelve a ser metaestable. Se espera una estructura con una cantidad diferente de perlita y ferrita y carbono templado, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. El carbón vegetal puede tener diferentes formas, tamaños y disposiciones.

Propiedades y uso

Racor de tubería de fundición maleable negra (GJMB)

En general, el hierro fundido maleable negro tiene buena moldeabilidad, también es más fácil de mecanizar que el GJMW (ver Maquinabilidad del hierro fundido ), endurecible, tratable con calor y endurecible en superficie (para endurecimiento por llama e inducción). Entre otras cosas, se utiliza para pistones, engranajes, piezas de motor y componentes de paredes gruesas como carcasas de motores.

• Ferrítico GJMB-350
  Aunque esta estructura tiene una tenacidad moderada, tiene buena ductilidad y excelente maquinabilidad. Este material se utiliza donde existen demandas de maquinabilidad. Es adecuado para el endurecimiento termofísico después de un doble calentamiento. La dureza del material corresponde a ≤ 150 HBW 30, que corresponde a ≤ 160 HV10.
• Perlítico GJMB-450
  Este material tiene una mejor resistencia y una tenacidad similar a la del GJMB-350. Es posible un endurecimiento hasta 600 HV10 después de un doble calentamiento previo. La dureza del material corresponde a 150-200 HBW 30, que corresponde a 160-210 HV10.
• GJMB-550
  La maquinabilidad de este material no es tan buena como la de las estructuras anteriores. Pero si lo comparas con el de un acero forjado de la misma resistencia, es excelente. El endurecimiento termofísico es posible incluso aquí sin doble calentamiento previo. La dureza del material corresponde a 180-230 HBW 30, que corresponde a 190-240 HV10.
• La
  fuerza GJMB-650 es el requisito principal aquí. Este material tiene virutas cortas y quebradizas. Alternativamente, se puede utilizar para aceros forjados. La dureza del material corresponde a 210-260 HBW 30, que corresponde a 220-270 HV10.
• Estructura de templado GJMB-700 Las
  mismas propiedades y usos que GJMB-650. La dureza del material corresponde a 240–290 HBW 30, que corresponde a 250–300 HV10.

literatura

• Hierro fundido maleable: un material de hierro fundido dúctil. Asociación Federal de la Industria Alemana de la Fundición, Publicación Técnica, 2011
• Hermann Schumann, Heinrich Oettel: metalografía. 14ª edición, Wiley-VCH Verlag.

enlaces web

• Portal en línea de la Asociación Federal de la Industria de Fundición Alemana