¿Cuáles son los efectos de los elementos de aleación sobre el hierro fundido?

Al decidir sobre una composición química para cualquier fundición, se deben considerar los efectos de los componentes principales.

Carbón:

La fuente principal de grafito y / o carburo en cualquier hierro fundido. El efecto del carbono debe considerarse junto con el del silicio y el fósforo y el concepto de valor equivalente de carbono.

CEV =% c + (% Si +% P) / 3.

El CEV tiene un efecto importante en la resistencia y dureza de la fundición (Figs. 3.2, 3.3). El CEV también afecta las propiedades de fundición del hierro. Los hierros que tienen un CEV por debajo de aproximadamente 3.6% se vuelven difíciles de emitir sonido, porque se produce una contracción del líquido y la alimentación es necesaria para lograr una solidez completa.

Silicio:

El siguiente en importancia para el carbono, con respecto a las propiedades del hierro, es el silicio. El silicio es un elemento grafitizador, los hierros con alto contenido de silicio, más de alrededor del 1,6% de Si, tienden a ser grafíticos, mientras que los hierros con bajo contenido de silicio son moteados o blancos. Los contenidos de silicio del hierro gris son generalmente alrededor del 2.0%. El silicio se necesita por dos razones. Se necesita una cantidad mínima de silicio para mejorar la fluidez de la masa fundida y producir una escoria fluida, pero de igual importancia es su efecto sobre la dureza de fundición. Se ha encontrado que niveles incrementados de silicio, en el rango de 1 a 1.5%, aumentan la cantidad de martensita y la dureza resultante.

Manganeso:

El manganeso es necesario para neutralizar el efecto del azufre en el hierro. Sin suficiente Mn, el sulfuro de hierro se forma durante la solidificación y se deposita alrededor de los límites del grano donde hace que el metal se caliente y pueda producir piezas fundidas agrietadas. Si hay suficiente Mn, el MnS se forma cuando el metal fundido se enfría y flota fuera del metal hacia la capa de escoria. Tiene un alto potencial de grafitización negativo. Mn es un estabilizador de perlita y aumenta la dureza del hierro. Sin embargo, no se usa principalmente para fortalecer porque puede afectar negativamente a la nucleación.

Fósforo:

Raramente se agrega intencionalmente, pero tiende a provenir de arrabio o chatarra. Hasta cierto punto, aumenta la fluidez del hierro. P tiene una solubilidad limitada en austenita y, por lo tanto, se segrega durante la solidificación formando una fase de fosfuro de bajo punto de fusión en hierro gris que comúnmente se conoce como esteadita. A niveles altos, puede promover la porosidad por contracción, mientras que niveles muy bajos pueden aumentar la penetración de metal en el molde.

Azufre:

Numerosos investigadores han demostrado que el azufre juega un papel importante en la nucleación de grafito en hierro gris. Es importante que el contenido de azufre del hierro se equilibre con el manganeso para promover la formación de sulfuros de manganeso. Esto normalmente se logra utilizando

% Mn> 1.7 veces contenido de azufre + 0.3%

Cromo:

Agregado en pequeñas cantidades, Cr suprime la formación de ferrita libre y asegura una estructura totalmente perlítica, lo que aumenta la dureza y la resistencia a la tracción. Demasiado Cr provoca frío en los bordes de la fundición, reduciendo seriamente la maquinabilidad. Se puede agregar hasta aproximadamente 1% de Cr a las planchas grises utilizadas para fines especiales, como árboles de levas, donde los escalofríos se usan a menudo para crear hierro blanco resistente al desgaste en las narices de la leva.

Níquel:

El contenido de Ni aumenta con el tamaño de la sección o el tiempo de enfriamiento de la colada para inhibir la transformación perlítica. Para piezas de fundición de 38 a 50 mm (1,5 a 2 pulg.) De espesor, 3,4 a 4,2% de Ni es suficiente para suprimir la formación de perlita al enfriar el molde. Las secciones más pesadas pueden requerir niveles de níquel de hasta 5.5% para evitar la formación de perlita. Es importante limitar el contenido de níquel al nivel necesario para el control de la perlita; El exceso de níquel aumenta la cantidad de austenita retenida y disminuye la dureza.

Elementos traza:

Además de estos elementos primarios, hay una serie de elementos menores que afectan la naturaleza y las propiedades del hierro gris.

Aluminio: la contaminación de chatarra de acero automotriz por componentes de aleación ligera es la fuente habitual de Al en el hierro. Se pueden presentar niveles de 0.1% de Al. Al promueve la captación de hidrógeno de los moldes de arena y puede causar defectos en los agujeros de las fundiciones.

Boro: promueve los carburos, particularmente en piezas de sección ligera. Los efectos se vuelven significativos por encima de aproximadamente 0.001%.

Molibdeno: promueve la perlita.

Titanio: promueve el grafito subenfriado. Promueve la perforación del pasador de hidrógeno cuando hay aluminio presente. Combina con nitrógeno para neutralizar sus efectos.

Cobre: ​​Cu aumenta la resistencia a la tracción y la dureza al promover una estructura perlítica y reducir la ferrita libre. Reduce el riesgo de frío en secciones delgadas. Hasta un 0,5% de Cu puede surgir de la presencia de Cu como elemento de vaciado en chatarra de acero.

Plomo: la presencia de plomo en el hierro gris, en cantidades tan bajas como 0.0004%, puede causar una pérdida grave de resistencia a través de su efecto nocivo sobre la estructura del grafito en escamas. La contaminación por plomo en el hierro fundido se produce generalmente a través de la inclusión de acero de corte libre en las cargas de fundición de chatarra de acero, aunque también puede surgir de ciertas aleaciones de cobre como el metal armado.

ALUMINIO: el aluminio es probablemente el desoxidante más activo de uso común en la producción de acero. Se utiliza para controlar el tamaño de grano inherente.

BORO – El boro se agrega al acero en cantidades de 0.0005 a 0.003% para mejorar la templabilidad. En combinación con otros elementos de aleación, el boro actúa como un “intensificador”, aumentando la profundidad de endurecimiento durante el temple.

CARBONO: cuando se agrega una pequeña cantidad de carbono al hierro, comienzan a aparecer las propiedades que le dan al acero su gran valor. A medida que la cantidad de carbono aumenta hasta .80 o .90%, el metal se vuelve más duro, posee una mayor resistencia a la tracción y, lo que es más importante, se vuelve cada vez más sensible al tratamiento térmico con el desarrollo correspondiente de muy alta resistencia y dureza. Si se aumentara el carbono más allá de ciertos límites en el acero al carbono simple, la capacidad de trabajar en caliente o en frío desaparecería casi por completo, y comenzaría a asumir las características del hierro fundido, que generalmente tiene de 1.7 a 4.5% de carbono.

CROMO: el cromo aumenta la respuesta al tratamiento térmico. También aumenta la profundidad de la penetración de la dureza. La mayoría de las aleaciones que contienen cromo contienen .50 a 1.50% de cromo. Los aceros inoxidables contienen cromo en grandes cantidades (12 a 25%), frecuentemente en combinación con níquel, y poseen una mayor resistencia a la oxidación y la corrosión.

COLUMBIO: el colombio en acero inoxidable 18-8 tiene un efecto similar al titanio al hacer que el acero sea inmune a la precipitación de carburo dañino y a la corrosión intergranular resultante. Los electrodos de soldadura con cojinetes de colombio se utilizan para soldar aceros inoxidables con titanio y columbio, ya que el titanio se perdería en el arco de soldadura, mientras que el columbio se transporta al depósito de soldadura.

COBRE: el cobre normalmente se agrega en cantidades de .15 a .25% para mejorar la resistencia a la corrosión atmosférica y para aumentar la resistencia a la tracción y el rendimiento con solo una ligera pérdida de ductilidad. Se pueden obtener propiedades de mayor resistencia endureciendo por precipitación el acero que contiene cobre.

PLOMO – El plomo en acero mejora enormemente su maquinabilidad. Cuando el plomo se divide finamente y se distribuye uniformemente, no tiene ningún efecto conocido sobre las propiedades mecánicas del acero en los niveles de resistencia más comúnmente especificados. Por lo general, se agrega en cantidades de .15% a .35%.

MANGANESO – El siguiente en importancia para el carbono es el manganeso. Normalmente está presente en todo el acero y funciona tanto como desoxidante como también para impartir resistencia y capacidad de respuesta al tratamiento térmico. El manganeso generalmente está presente en cantidades de 1/2% a 2%, pero ciertos aceros especiales se fabrican en el rango de 10% a 15%.

MOLIBDENO: el molibdeno aumenta enormemente la penetración de la dureza y aumenta la tenacidad. El molibdeno tiende a ayudar al acero a resistir el ablandamiento a altas temperaturas y es un medio importante para garantizar una alta resistencia a la fluencia. Generalmente se usa en cantidades comparativamente pequeñas que varían de .10 a .40%.

NÍQUEL: el níquel aumenta la resistencia y la tenacidad, pero es uno de los elementos menos efectivos para aumentar la templabilidad. La adición de cantidad más general es de 1 a 4%, aunque para ciertas aplicaciones, se utilizan porcentajes tan altos como 36%. Los aceros que contienen níquel generalmente tienen más resistencia al impacto, especialmente a bajas temperaturas. Ciertos aceros inoxidables emplean níquel hasta aproximadamente el 20%.

FÓSFORO: algo de fósforo está presente en todo el acero. Además de aumentar el límite elástico y reducir la ductilidad a bajas temperaturas, se cree que el fósforo aumenta la resistencia a la corrosión atmosférica.

SILICIO – El silicio es uno de los desoxidantes comunes utilizados durante el proceso de fabricación. También puede estar presente en cantidades variables hasta 1% en el acero acabado y tiene un efecto beneficioso sobre ciertas propiedades, como la resistencia a la tracción. También se usa en aceros especiales en la rabia de silicio de 1.5% a 2.5% para mejorar la templabilidad. En porcentajes más altos, el silicio se agrega como una aleación para producir ciertas características eléctricas en los llamados aceros eléctricos de silicio y también encuentra ciertas aplicaciones en algunos aceros para herramientas donde parece tener un efecto de endurecimiento y endurecimiento.

AZUFRE – El azufre es un elemento importante en el acero porque cuando está presente en cantidades relativamente grandes, aumenta la maquinabilidad. La cantidad generalmente utilizada para este propósito es de .06 a .30%. El azufre es perjudicial para las propiedades de formación en caliente.

TELLURIO: la adición de aproximadamente 0,05% de teluro al acero con plomo mejora la maquinabilidad sobre los aceros con plomo.

TITANIO: se agrega titanio a los aceros inoxidables 18-8 para que sean inmunes a la precipitación de carburo dañino. A veces se agrega a láminas bajas en carbono para hacerlas más adecuadas para el esmaltado de porcelana.

TUNGSTENO – El tungsteno se usa como elemento de aleación en acero para herramientas y tiende a producir un grano fino, denso y un filo agudo cuando se usa en cantidades relativamente pequeñas. Cuando se usa en grandes cantidades de 17 a 20% y en combinación con otras aleaciones, produce un acero de alta velocidad que conserva su dureza a las altas temperaturas desarrolladas en el corte de alta velocidad. El tungsteno también se usa en ciertos aceros resistentes al calor donde la retención de resistencia a altas temperaturas es importante. Por lo general, se usa en combinación con cromo u otros elementos de aleación.

Las propiedades del hierro fundido se cambian agregando varios elementos de aleación, o aleaciones. Junto al carbono, el silicio es el agente de aleación más importante porque obliga al carbono a salir de la solución. Un bajo porcentaje de silicio permite que el carbono permanezca en solución formando carburo de hierro y la producción de hierro fundido blanco. Un alto porcentaje de silicio obliga al carbono a salir de la solución formando grafito y la producción de hierro fundido gris. Otros agentes de aleación, manganeso, cromo, molibdeno, titanio y vanadio contrarrestan el silicio, promueven la retención de carbono y la formación de esos carburos. El níquel y el cobre aumentan la resistencia y la maquinabilidad, pero no cambian la cantidad de grafito formado. El carbono en forma de grafito da como resultado un hierro más blando, reduce la contracción, disminuye la resistencia y disminuye la densidad. El azufre, en gran medida un contaminante cuando está presente, forma sulfuro de hierro, que evita la formación de grafito y aumenta la dureza. El problema con el azufre es que hace que el hierro fundido fundido sea viscoso, lo que causa defectos.