Producción de acero fundido:propiedades y composición

Pruebas e inspección en la fundición

El acero fundido es una aleación ferrosa con un contenido máximo de carbono de aproximadamente 0,75%. Las fundiciones de acero son objetos de metal sólido producidos al llenar el vacío dentro de un molde con acero líquido. Están disponibles en muchos de los mismos aceros al carbono y aleados que se pueden producir como metales forjados. Las propiedades mecánicas del acero fundido son generalmente más bajas que las de los aceros forjados, pero con la misma composición química. El acero fundido compensa esta desventaja con su capacidad para formar formas complejas en menos pasos.

Propiedades del acero fundido

Los aceros fundidos se pueden producir con una amplia gama de propiedades. Las propiedades físicas del acero fundido cambian significativamente según la composición química y el tratamiento térmico. Se seleccionan para que coincidan con los requisitos de rendimiento de la aplicación prevista.

• Dureza
  La capacidad de un material para resistir la abrasión. El contenido de carbono determina la dureza máxima que se puede obtener en el acero o la templabilidad.

• Fuerza
  La cantidad de fuerza necesaria para deformar un material. Un mayor contenido de carbono y dureza dan como resultado un acero con mayor resistencia.

• Ductilidad
  La capacidad de un metal para deformarse bajo tensión de tracción. Un menor contenido de carbono y una menor dureza dan como resultado un acero con mayor ductilidad.

• Resistencia
  La capacidad de soportar el estrés. El aumento de la ductilidad generalmente se asocia con una mejor tenacidad. La tenacidad se puede ajustar con la adición de metales de aleación y tratamiento térmico.

• Resistencia al desgaste
  La resistencia de un material al roce y al uso. El acero fundido exhibe una resistencia al desgaste similar a la de los aceros forjados de composición similar. La adición de elementos de aleación como el molibdeno y el cromo puede aumentar la resistencia al desgaste.

• Resistencia a la corrosión
  La resistencia de un material contra la oxidación y el óxido. El acero fundido exhibe una resistencia a la corrosión similar a la del acero forjado. Los aceros de alta aleación con niveles elevados de cromo y níquel son altamente resistentes a la oxidación.

• Maquinabilidad
  La facilidad con la que una fundición de acero puede cambiar de forma mediante la eliminación de material a través del mecanizado (corte, esmerilado o taladrado). La maquinabilidad está influenciada por la dureza, la resistencia, la conductividad térmica y la expansión térmica.

• Soldabilidad
  La capacidad de una fundición de acero para soldarse sin defectos. La soldabilidad depende principalmente de la composición química y el tratamiento térmico del acero fundido.

• Propiedades a alta temperatura
  Los aceros que funcionan a temperaturas por encima de la temperatura ambiente están sujetos a propiedades mecánicas degradadas y fallas prematuras debido a la oxidación, daño por hidrógeno, incrustaciones de sulfito e inestabilidad del carburo.

• Propiedades a baja temperatura
  La tenacidad del acero fundido se reduce severamente a bajas temperaturas. La aleación y los tratamientos térmicos especializados pueden mejorar la capacidad de una fundición para soportar cargas y tensiones.

Composición química del acero fundido

La composición química del acero fundido tiene una influencia significativa en las propiedades de rendimiento y, a menudo, se usa para clasificar el acero o asignar designaciones estándar. Los aceros fundidos se pueden dividir en dos grandes categorías:acero fundido al carbono y acero fundido aleado.

Acero fundido al carbono

Al igual que los aceros forjados, los aceros fundidos al carbono se pueden clasificar según su contenido de carbono. El acero fundido con bajo contenido de carbono (0,2 % de carbono) es relativamente blando y no se puede tratar con calor fácilmente. El acero fundido de carbono medio (0,2-0,5% de carbono) es algo más duro y se puede fortalecer mediante tratamiento térmico. El acero fundido con alto contenido de carbono (0,5 % de carbono) se utiliza cuando se desea la máxima dureza y resistencia al desgaste.

Acero fundido aleado

El acero fundido aleado se clasifica como de baja o alta aleación. El acero fundido de baja aleación (≤ 8% de contenido de aleación) se comporta de manera similar al acero al carbono normal, pero con una mayor templabilidad. El acero fundido de alta aleación (> 8 % de contenido de aleación) está diseñado para producir una propiedad específica, como resistencia a la corrosión, resistencia al calor o resistencia al desgaste.

Los aceros de alta aleación comunes incluyen acero inoxidable (> 10,5 % de cromo) y acero al manganeso de Hadfield (11–15 % de manganeso). La adición de cromo, que forma una capa de pasivación de óxido de cromo cuando se expone al oxígeno, le da al acero inoxidable una excelente resistencia a la corrosión. El contenido de manganeso en el acero de Hadfield proporciona una gran fuerza y ​​resistencia a la abrasión durante el trabajo duro.

ASTM	Requisitos químicos					Requisitos de tracción
GRADO DE ACERO	Carbono	Manganeso	Silicona	Azufre	Fósforo	Resistencia a la tracción	Punto de rendimiento	Alargamiento en 2 pulg.	Reducción de Área
	Porcentaje máximo/rango					Mín. ksi [Mpa] / Rango		Mín. %
	ASTM A27/A27M
ASTM A27, Grado N-1	0,25	0,75	0,80	0.06	0.05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, Grado N-2	0,35	0,60	0,80	0.06	0.05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, Grado U60-30	0,25	0,75	0,80	0.06	0.05	60 [415]	30 [205]	22	30
ASTM A27, Grado 60-30	0,30	0,60	0,80	0.06	0.05	60 [415]	30 [205]	24	35
ASTM A27, Grado 65-35	0,30	0,70	0,80	0.06	0.05	65 [450]	35 [240]	24	35
ASTM A27, Grado 70-36	0,35	0,70	0,80	0.06	0.05	70 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27, Grado 70-40	0,25	1,20	0,80	0.06	0.05	70 [485]	40 [275]	22	30
	ASTM A148/A148M
ASTM A148, Grado 80-40	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148, Grado 80-50	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	80 [550]	50 [345]	22	35
ASTM A148, Grado 90-60	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	90 [620]	60 [415]	20	40
	ASTM A216 / A216M
ASTM A216, grado WCA	0,25	0,70	0,60	0,045	0.04	60-85 [415-585]	30 [205]	24	35
ASTM A216, grado WCB	0,30	1,00	0,60	0,045	0.04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216, grado WCC	0,25	1,20	0,60	0,045	0.04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

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Calidades de acero fundido

Los grados de acero han sido creados por organizaciones de estándares como ASTM International, el Instituto Estadounidense del Hierro y el Acero y la Sociedad de Ingenieros Automotrices para clasificar aceros con composiciones químicas específicas y propiedades físicas resultantes. Las fundiciones pueden desarrollar sus propios grados internos de acero para satisfacer la demanda de propiedades específicas de los usuarios o para estandarizar grados de producción específicos.

Las especificaciones para aceros forjados se han utilizado a menudo para clasificar diferentes aleaciones fundidas por sus principales elementos de aleación. Sin embargo, los aceros fundidos no siguen necesariamente las composiciones del acero forjado. Los contenidos de silicio y manganeso son frecuentemente más altos en los aceros fundidos en comparación con sus equivalentes forjados. Además de sus niveles predominantemente más altos de silicio y manganeso, los aceros fundidos aleados utilizan aluminio, titanio y circonio para la desoxidación durante el proceso de fundición. El aluminio se usa predominantemente como desoxidante por su efectividad y bajo costo relativo.

Producción de fundición de acero

La práctica de la fundición de acero se remonta a finales de la década de 1750, mucho más tarde que la fundición de otros metales. El alto punto de fusión del acero y la falta de tecnología disponible para fundir y procesar metales retrasaron el desarrollo de una industria de fundición de acero. Estos desafíos fueron superados por los avances en la tecnología de hornos.

Los hornos son recipientes con revestimiento refractario que contienen la "carga", que es el material que se va a fundir y proporciona energía para la fusión. Hay dos tipos de hornos utilizados en una fundición de acero moderna:arco eléctrico e inducción.

Horno de arco eléctrico

El horno de arco eléctrico funde lotes de metal denominados "calentadores" por medio de un arco eléctrico entre electrodos de grafito. La carga pasa directamente entre los electrodos, exponiéndola a la energía térmica de la descarga eléctrica en curso.

Los hornos de arco eléctrico siguen un ciclo de funcionamiento de grifo a grifo:

1. Carga del horno
   Se añade al horno una carga de chatarra de acero y aleaciones.

1. Derretir
   El acero se funde suministrando energía al interior del horno. La energía eléctrica se suministra a través de electrodos de grafito y suele ser el mayor contribuyente en las operaciones de fundición de acero. La energía química se suministra a través de quemadores de oxicombustible y lanzas de oxígeno.

1. Refinación
   Se inyecta oxígeno para eliminar las impurezas y otros gases disueltos durante el proceso de fusión.

1. Desescoriado
   El exceso de escoria, que a menudo contiene impurezas indeseables, se elimina del baño antes del drenaje. El desescoriado también puede tener lugar dentro de la cuchara antes del vertido.

1. Tocar (o tocar)
   El metal se retira del horno inclinando el horno y vertiendo el metal en un recipiente de transferencia como un cucharón.

1. Cambio de funcionamiento del horno
   Terminación y preparación completadas para el siguiente ciclo de carga del horno.

A menudo se toman pasos adicionales continuos en varias etapas de este proceso para desoxidar aún más el acero y eliminar la escoria del metal antes del vertido. Es posible que sea necesario ajustar la química del acero para tener en cuenta el agotamiento de la aleación durante una extracción prolongada.

Horno de inducción

Un horno de inducción es un horno eléctrico donde la energía térmica se transfiere por inducción. Una bobina de cobre rodea el contenedor de carga no conductor y una corriente alterna pasa a través de la bobina para crear una inducción electromagnética dentro de la carga.

Los hornos de inducción son capaces de fundir la mayoría de los metales y pueden funcionar con una pérdida mínima de fusión. La desventaja es que es posible poco refinado del metal. A diferencia de un horno de arco eléctrico, el acero no se puede transformar.

Las fundiciones de acero modernas utilizan con frecuencia chatarra de acero reciclada para reducir el costo y el impacto ambiental de la producción de fundición. Los automóviles obsoletos, los componentes mecánicos y artículos similares se separan, dimensionan y envían a las fundiciones como chatarra. Esto se combina con la chatarra interna generada en el proceso de fundición y se combina con varios elementos de aleación para cargar el horno de fusión.

Tratamiento térmico

Después de que la fundición se solidifica, se retira del molde y se limpia, las propiedades físicas del acero fundido se desarrollan mediante un tratamiento térmico adecuado.

• Recocido
  Calentar las piezas fundidas de acero a una temperatura específica, mantenerlas durante un período de tiempo específico y luego enfriarlas lentamente.

• Normalizar
  Similar al recocido, pero las piezas fundidas de acero se enfrían al aire libre, a veces con ventiladores. Esto ayuda a las piezas fundidas a lograr mayores resistencias.

• Extinción
  Similar a la normalización, pero el enfriamiento se lleva a cabo a un ritmo mucho más rápido usando aire forzado. Se utilizan agua o aceites como medio de extinción.

• Templado (o alivio del estrés)
  Técnica utilizada para aliviar las tensiones internas dentro de las piezas fundidas. Estas tensiones pueden aparecer en el proceso de fundición o durante los tratamientos térmicos de refuerzo o endurecimiento, como el normalizado o el templado. El alivio del estrés implica calentar las piezas fundidas a una temperatura muy por debajo de la temperatura de recocido, mantenerlas a esa temperatura y luego enfriarlas lentamente.

Inspección de acero fundido

Las fundiciones de acero a menudo están sujetas a inspecciones para verificar propiedades físicas específicas, como la precisión dimensional, el estado del acabado de la superficie fundida y la solidez interna. Además, también se debe inspeccionar la composición química. La composición química se ve afectada dramáticamente por elementos de aleación menores agregados al material. Las aleaciones de acero fundido son susceptibles a variaciones en su composición química, por lo que se requieren análisis químicos para verificar la composición química exacta antes de la fundición. Se vierte una pequeña muestra de metal fundido en un molde y se analiza.

Precisión dimensional

Las inspecciones dimensionales se llevan a cabo para asegurarse de que las piezas fundidas producidas cumplan con los requisitos y tolerancias dimensionales del cliente, incluidas las tolerancias para el mecanizado. A veces puede ser necesario destruir piezas de fundición de muestra para tomar medidas de las dimensiones interiores.

Condición del acabado superficial

Las inspecciones del acabado superficial de las piezas fundidas se emplean para explorar la apariencia estética de las piezas fundidas. Buscan fallas en la superficie y debajo de la superficie de las piezas fundidas que pueden no ser evidentes visualmente. El acabado de la superficie de una fundición de acero puede verse afectado por el tipo de patrón, la arena de moldeo y el revestimiento del molde utilizados, así como por el peso de la fundición y los métodos de limpieza.

Solidez interna

Todas las fundiciones tienen algún nivel de defectos presentes, y la especificación de solidez determina el umbral de defectos aceptable. La especificación excesiva del nivel máximo permitido de defectos conducirá a tasas de desecho más altas y costos de fundición más altos. La subespecificación del nivel de defecto máximo permitido puede provocar fallas.

Tres defectos internos comunes que ocurren en las fundiciones de acero son:

1. Porosidad
   Vacíos en la fundición de acero que se caracterizan por paredes interiores lisas y brillantes. La porosidad es generalmente el resultado de la evolución o atrapamiento de gas durante el proceso de fundición.

1. Inclusiones
   Piezas de material extraño en la fundición. Una inclusión puede ser metálica, intermetálica o no metálica. Las inclusiones pueden provenir del interior del molde (residuos, arena o materiales del núcleo) o pueden ingresar al molde durante el vertido de la fundición.

1. Contracción
   Vacío o área de baja densidad típicamente interna al colado. Es causado por una isla de material fundido que no tiene suficiente metal de alimentación para suministrarlo durante el proceso de solidificación. Las cavidades de contracción se caracterizan por una superficie interior cristalina rugosa.

Análisis químico

El análisis químico de aceros fundidos generalmente se realiza mediante métodos de análisis químico húmedo o métodos espectroquímicos. El análisis químico húmedo se usa con mayor frecuencia para determinar la composición de muestras pequeñas o para verificar el análisis del producto después de la producción. Por el contrario, el análisis con un espectrómetro es muy adecuado para la determinación rutinaria y rápida de la composición química de muestras más grandes en un entorno de fundición de producción muy activo. Las fundiciones pueden realizar análisis químicos tanto a nivel de calor como de producto.

Análisis de calor

Durante el análisis de calor, una pequeña muestra de acero fundido líquido se saca del horno, se deja solidificar y luego se analiza la composición química mediante análisis espectroquímico. Si la composición de los elementos de aleación no es la correcta, se pueden realizar ajustes rápidos en el horno o la cuchara antes de la colada. Una vez correcto, generalmente se considera que un análisis de calor es una representación precisa de la composición de todo el calor del metal. Sin embargo, se esperan variaciones en la composición química debido a la segregación de los elementos de aleación y al tiempo que lleva disipar el calor del acero. La oxidación de ciertos elementos puede ocurrir durante el proceso de vertido.

Análisis de productos

El análisis del producto se realiza para la verificación del análisis químico específico, ya que es posible que la composición de las piezas fundidas individuales no se ajuste por completo a la especificación aplicable. Esto puede suceder incluso si el producto se vertió desde una fuente de acero donde el análisis de calor fue correcto. Las prácticas y estándares de la industria permiten cierta variación entre el análisis de calor y el análisis de productos.

Pruebas de acero fundido

Se puede lograr una variedad de propiedades mecánicas para fundiciones de acero al carbono y aleado alterando la composición y los tratamientos térmicos de los aceros fundidos. Las fundiciones utilizan métodos de prueba especializados para verificar las propiedades mecánicas antes de completar el producto.

Cuando se trata de pruebas de acero fundido, hay dos tipos de pruebas utilizadas en la industria:pruebas destructivas y no destructivas. Pruebas destructivas requiere la destrucción de una fundición de prueba para determinar visualmente la solidez interna de una pieza. Este método solo proporciona información sobre la condición de la pieza probada y no garantiza que otras piezas estén en buen estado. Ensayos no destructivos se emplea para verificar la solidez interna y externa de una fundición sin dañar la fundición misma. Una vez que la fundición pasa las pruebas, se puede utilizar para la aplicación prevista.

Propiedades de tracción

Las propiedades de tracción de las piezas fundidas de acero son una indicación de la capacidad de una pieza fundida para soportar cargas en condiciones de carga lenta. Las propiedades de tracción se miden utilizando una muestra fundida representativa que está sujeta a una carga de tracción controlada (fuerzas de tracción ejercidas en cualquiera de los extremos de la barra de tracción) hasta la falla. En caso de falla, se examinan las propiedades de tracción.

PROPIEDADES DE TRACCIÓN

PROPIEDADES

DESCRIPCIÓN

Resistencia a la tracción

Esfuerzo requerido para romper una fundición en tensión o bajo una carga de estiramiento.

Límite elástico

Punto en el que una fundición comienza a ceder o estirarse y demostrar deformación plástica mientras está en tensión.

Elongación (%)

Medida de ductilidad, o la capacidad de una fundición para deformarse plásticamente.

Reducción de área (%)

Medida secundaria de la ductilidad de una fundición.

Demuestra la diferencia entre el área de la sección transversal original de la barra de tracción y el área de la sección transversal más pequeña después de la falla en la tensión.

Propiedades de plegado

Las propiedades de flexión identifican la ductilidad de una fundición mediante el uso de una muestra representativa rectangular doblada alrededor de un pasador en un ángulo específico. Se observa la barra doblada resultante para verificar si hay grietas objetables.

Propiedades de impacto

Las propiedades de impacto son una medida de dureza resultante de probar la energía requerida para romper una muestra estándar con muescas. Cuanta más energía se requiera para romper la muestra, más resistente será el material fundido.

Dureza

La dureza es una medida de la resistencia de una fundición a la penetración mediante pruebas de indentación. Es una propiedad que indica la resistencia al desgaste y a la abrasión de los aceros fundidos. Las pruebas de dureza también pueden proporcionar un método sencillo y rutinario para probar indicaciones de resistencia a la tracción en un entorno de producción. El resultado de una prueba de escala de dureza normalmente se correlacionará estrechamente con las propiedades de resistencia a la tracción.

Servicios de casting personalizados

Reliance Foundry trabaja en colaboración con los clientes para determinar las mejores propiedades físicas y químicas, el tratamiento térmico y los métodos de prueba para cada fundición personalizada. Solicite un presupuesto para obtener más información sobre cómo nuestro servicio de fundición puede satisfacer los requisitos de su proyecto.