FUNDICIONES DE HIERRO (Parte II)

1.1 Hierro fundido aleado resistente al desgaste abrasivo.

En las especificaciones dadas por la ASTM A 352 clasifican a los hierros de alta aleación en un grupo independiente y proponen entre ellos a: Hierros blancos al cromo-níquel, son conocidos también como Ni-Hard (tipos del 1 al 4) y contienen contenidos de cromo bajos, (de 3 a 5% de níquel y de 1 a 4% de cromo, con una modificación en la que el cromo se eleva de 7 a 11 % de cromo), Hierros al cromo-molibdeno, que contienen de 11 a 23% de cromo y hasta 3% de molibdeno y adicionalmente se adicionan níquel o cobre. Un tercer grupo de Hierros blancos aleados con elevado contenido de cromo (de 25 a 28% de cromo) los cuales pueden ser aleados además con otros elementos como el molibdeno y/o níquel hasta 1,5%.

Los hierros blancos aleados ofrecen una considerable versatilidad en sus propiedades, que lo hacen útil en aplicaciones donde es necesaria la resistencia a la abrasión. La composición del hierro blanco aleado se selecciona para obtener una distribución determinada en los carburos y una matriz que brinden una vida de servicio elevada y una efectividad de costos. Mientras las fundiciones de hierro blanco de baja aleación, con un contenido de elementos de aleación inferior a 4%, desarrollan durezas entre 350 y 550 HB, los hierros de elevada aleación alcanzan durezas entre 450 y 800 HB. Los carburos en los hierros blancos aleados presentan durezas del orden de 900 a 1 200 HV y las matrices martensíticas con austenita residual llegan a durezas del orden de 600 a 700 HV.

1.4 Clasificación de los mecanismos de desgaste.
 

(ASM Volume 18, 1992; Sarkar, 1980, Vázquez, 1997)
en la práctica son cinco los mecanismos de desgaste que aparecen en pares sólido-sólido, ellos son; desgaste abrasivo, adhesivo, por fatiga superficial, corrosivo mecánico y desgaste por frotamiento. Por ser uno de los efecto que mayor pérdida de materiales y energía produce, se abordará en este capítulo el desgaste abrasivo.

Desgaste por abrasión.

Es el desgaste producido por partículas abrasivas que se deslizan sobre la superficie metálica produciendo desprendimiento de material, dislocaciones de cristales y ralladuras profundas. Este desgaste se pone de manifiesto en equipos agrícolas, de construcción y minería. También se observa en el equipamiento empleado en la preparación de las arenas de moldeo de fundición. En una estructura determinada la intensidad de desgaste por abrasión depende de la forma, dureza y tamaño de los granos y partículas abrasivas.

La velocidad de desgaste depende del grado de penetración del abrasivo en la superficie y por lo tanto es función de la dureza superficial del material. La dureza, la tenacidad y sobre todo la rugosidad de las partículas abrasivas, acentúan la abrasión, mientras que la fragilidad de éstas atenúa su efecto.
 

Si la dureza del abrasivo es muy superior a la dureza de la superficie fraccionada, el desgaste es fuerte. Si por lo contrario es más blando la velocidad de desgaste es lenta. Se debe tener en cuenta que si la dureza de ambos es similar, el más leve cambio de una de ellas puede aumentar considerablemente el desgaste.
 

Otros factores que afectan el desgaste abrasivo son la temperatura, las cargas que actúan sobre la superficie de trabajo, condiciones ambientales tales como la humedad y el grado de compactación de las partículas. Se considera que todo desgaste abrasivo del material es un agrietamiento por fragilidad, como resultado de actos de deformación plástica y endurecimiento que se repiten cíclicamente.

El proceso de desgaste abrasivo en condiciones reales, se realiza siempre con la colaboración no solamente de los granos abrasivos, sino también del medio exterior, de una composición química controlada (en el caso del empleo de lubricante) o no controlada (en el caso de la acción de la atmósfera).
 

El metal deformado plásticamente, al reaccionar con el oxígeno contenido en la atmósfera, forma estructuras de capas secundarias, que se diferencian del metal original por sus estructuras y propiedades de resistencia. La actuación de presiones produce la destrucción de esas capas y el descubrimiento consecutivo de nuevas superficies del metal puro. Este fenómeno se conoce con el nombre de desgaste oxidante.

En el desgaste abrasivo influye la dureza y la tenacidad del material. La tenacidad es la resistencia que opone el material deformado por la acción de las partículas abrasivas, a la rotura. El desgaste abrasivo depende también del coeficiente de fricción, fuerza de unión adhesiva entre partículas de la superficie del metal y las partículas abrasivas. Cuando los valores del coeficiente de fricción son elevadas, se favorece el proceso de micro corte.

El desgaste abrasivo se puede clasificar en:

Desgaste abrasivo de baja presión, que ocurre por deslizamiento de las partículas moviéndose libremente por la superficie y las tensiones actuantes son bajas y no exceden la resistencia a la rotura del abrasivo.

Desgaste abrasivo por alta presión, cuando el abrasivo es atrapado entre dos superficies de carga y el desgaste no es solo por penetración, sino también por fractura de las partes frágiles y por deformación plástica de la matriz. Este tipo de abrasión es característica de operaciones de trituración, pero también se presenta como efecto secundario en numerosas aplicaciones metal sobre metal.

Desgaste abrasivo con impacto, el cual involucra la remoción de material por la acción de un abrasivo cuyas partículas son de un tamaño apreciable e impactan en la superficie bajo un ángulo determinado. La energía de impacto se transfiere al material y hace que el abrasivo produzca grandes surcos y ralladuras apreciables a simple vista. Este tipo de desgaste es más frecuente en el transporte de minerales.

 

Es importante destacar que en la práctica el desgaste no se presenta en forma simple, sino que aparece combinado como:

• Impacto, abrasión y presión: en rodillos, cadenas y rodaje de tractores.
• Impacto, abrasión y temperatura: en martillos y cuchillas de cizalla.
• Impacto y presión: en martillos de pilón y machacadoras, quebradoras.
• Abrasión, erosión y corrosión: válvulas y asientos, tornillos sinfín.
• Fricción, corrosión y cavitación: impulsores, álabes de turbinas.

En este tipo de desgaste pueden observarse tres regímenes en dependencia de las durezas de los materiales interactuantes.

• Régimen débil: cuando la dureza del abrasivo es menor que la del metal.
• Régimen de transición: cuando la dureza del abrasivo es aproximadamente igual a la del metal.
• Régimen severo: cuando la dureza del abrasivo es mayor que la del metal.

Se ha demostrado experimental y teóricamente que la dureza del material está correlacionada con el grado de abrasión según (ASM Volume 18, 1992)

La dependencia de la resistencia a la abrasión, de la composición química, dureza y microestructura de un hierro fundido de alto cromo ha sido demostrada por (Gundlanch, 1974) en un estudio realizado a 28 tipos de hierros blancos aleados con 17,5% de cromo, en los cuales se presentaban tres niveles de contenido de carbono y aleadas con otros elementos tales como: Cobre (0,5 a 3,0%), Manganeso (0,75 a 3,0%), Molibdeno (0,5 a 3,0%) y Níquel(0,6 a 2,0%). Todas las muestras fueron ensayadas tal y como fueron obtenidas de la fundición. En este estudio se demuestra que la dureza no es tan importante como la microestructura de la matriz en el control de la resistencia a la abrasión de un hierro blanco. Demostró también que contenidos de molibdeno combinados con níquel, cobre y manganeso en cantidades superiores a lo normal, producen fundiciones con satisfactoria resistencia a la abrasión, aspecto relacionado con las micro estructuras que se obtienen debido al efecto de los elementos de aleación.

 
La función primaria de las aleaciones empleadas en sistemas donde predomina la abrasión metal-tierra, es aumentar la resistencia a la abrasión. Las aleaciones de abrasión metal-tierra están constituidas por hierros blancos con alto contenido de cromo, en la que los carburos que se forman durante la solidificación de la aleación, les proporcionan las propiedades necesarias para este tipo de aplicación.

Destrucción por impacto.

Este tipo de destrucción se produce por la transferencia de energía cinética de un cuerpo simple sobre una superficie de extensión apreciable. Produce deformación superficial y sub-superficial del material que altera su forma y dimensión lo que puede devenir en la fractura por fatiga debido a impactos repetidos. Surge como resultado de contactos de cuerpos generalmente metálicos aunque no se excluyen rocas y minerales, que acompañados de determinada velocidad, originan choques intermitentes contra la pieza. Se pueden clasificar para facilitar el análisis de su acción y con ello seleccionar la mejor forma de combatirlos y aminorar su efecto en:

• Impacto ligero: la energía cinética es absorbida por una deformación elástica del metal base que recobra su dimensión pudiendo dar lugar a deformaciones plásticas a muy largo plazo. Las aleaciones recomendadas para este caso son los aceros inoxidables austeníticos y los bronces al aluminio.
• Impacto medio: produce deformaciones plásticas a corto plazo e inclusive trituración y desprendimientos superficiales a corto plazo. En estos casos se recomienda el uso de aceros con estructura martensítica.
• Impacto alto: produce deformaciones plásticas de gran magnitud de modo instantáneo y fracturas a corto plazo. Las aleaciones recomendadas para trabajar en estas condiciones son los aceros austeníticos.

1.5 Maquinabilidad en el hierro fundido

(Walton, 1981) señala que la maquinabilidad del hierro está relacionada directamente con su microestructura, aunque se evalúa por la vida útil de las herramientas de corte y el acabado de las superficie. Por ejemplo la presencia del grafito (estructura suave) favorece la maquinabilidad, aunque la forma y tamaño de este influye en el acabado superficial. La microestructura alrededor del grafito influye en la vida de la herramienta del corte y permite mayores velocidades de corte.
La dureza Brinell es un indicador de la maquinabilidad, pues la dureza depende fundamentalmente de la microestructura, pero la maquinabilidad no se puede evaluar por la dureza únicamente.
 

La ferrita y la austenita son estructura de fácil maquinabilidad, a diferencia de la martensita y en menor grado de la bainita que son más difíciles de maquinar.
Los carburos son constituyentes de elevada dureza y tienen un efecto muy dañino para la vida de las herramientas de corte.
(Form y Wallace, 1962) propusieron una relación para calcular un índice de calidad llamado dureza relativa (HR), para evaluar la maquinabilidad de un hierro fundido:
 

HR = HB/ (100 + (3,03.10^-3Rt))
Donde
HB dureza Brinell
Rt resistencia a la tracción.
Valores inferiores a 1,0 indican que los hierros fundidos tienen buena maquinabilidad.
 

Las cuchillas para maquinado de hierros blancos, prácticamente no maquinables, se recomiendan en (Walton, 1981) que sean de cerámica, permitiendo altas velocidades para el corte del hierro moderadamente duros y se emplean sin refrigerantes. Para los hierros blancos resistentes al desgaste (ASTM A32) con dureza entre 450 y 600 HB en su condición de pieza fundida, se recomiendan herramientas de cerámica del tipo HPC.
Maquinabilidad en hierros aleados resistentes al desgaste.
 

Tanto la resistencia al desgaste como la maquinabilidad están puestas en función de la dureza, aunque en sentido contrario. Por una parte (Form y Wallace, 1962) en la ecuación señalan que al aumentar la dureza respecto a la resistencia a la tracción, cosa que ocurre en los hierros blancos, disminuye la maquinabilidad, pues se incrementa el HR y por otra parte (Sakour, 1980 y Vázquez, 1997) señalan que al aumentar la dureza del material respecto a la del abrasivo, se favorece la resistencia al desgaste abrasivo del material, cuando se mueve en una masa abrasiva como la arena sílice.
 

Los hierros por excelencia para la producción de piezas que se utilizan en la explotación bajo condiciones de desgaste abrasivo, son los hierros de levado contenido de cromo, como ya se ha señalado, sin embargo debido a la presencia de carburos de elevada dureza y en matrices martensíticas, la maquinabilidad disminuye significativamente.
 

Sin embargo la combinación de estructuras tan duras como los carburos en matrices martensíticas y la presencia de grafito en la matriz, suaves y que permiten la obtención de una viruta discontinua durante el maquinado, puede lograr determinado de factilidad en el maquinado. Dichas estructuras pueden ser obtenidas en condiciones donde los elementos de aleación se combinen adecuadamente logrando potenciales de grafitización adecuados para que se forme grafito durante la transformación eutéctica con la presencia de elementos como el cobre y el níquel, en adición al efecto grafitizante del carbono y el silicio, presentes en cualquier hierro fundido y con las cantidades adecuadas de manganeso, cromo y molibdeno que favorezcan la formación de carburos, sin que se suprima la grafitización del hierro fundido.
 

Otros aspectos a tener en cuenta son el balance adecuado de los elementos aleantes como el manganeso, níquel y cobre que permitan la obtención de matrices martensíticas regulando la transformación de la austenita, para evitar la formación de perlita o bainita. El efecto combinado de los elementos manganeso, níquel y cobre, permite que sus efectos individuales se sumen en este sentido.

CONCLUSIONES

Se plantea en línea general que los hierros aleados con elevado contenido de cromo son los de mejor comportamiento para trabajar en condiciones de elevada abrasión y que los hierros grises no aleados son los de mejor comportamiento ante la maquinabilidad.
 

La producción de hierros de elevado nivel de aleación se señala que no pueden ser obtenidos por aleación en cuchara y que se requieren medios especiales para su obtención, lo cual no es válido solo para aleaciones con un nivel cercano a 4%.
Aunque aparecen descritos en la literatura el efecto de los elementos de aleación sobre las estructuras y las propiedades de los hierros aleados de un modo cualitativo, no se muestran modelos matemáticos que permitan cuantificar este efecto sobre las propiedades mecánicas y tribológicas, así como para algunos elementos cuantificables de la microestructura.
 

Se abordan en la literatura estudios sobre el incremento de la resistencia la desgaste a partir de tratamientos térmicos, pero en las condiciones de nuestro país donde los recursos energéticos son limitados, es una alternativa el obtener estructuras que incrementan la resistencia al desgaste a partir del efecto de los elementos de aleación desde que las piezas son obtenidas en la fundición, empleando la adición en cuchara para niveles de aleación no muy por encima de 4%.