Producción de Acero Fundido: Propiedades Clave, Composición y Rendimiento

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 metálicos sólidos 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 pueden producirse como metales forjados. Las propiedades mecánicas del acero fundido son generalmente inferiores a 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 pueden producirse con una amplia gama de propiedades. Las propiedades físicas del acero fundido cambian significativamente dependiendo de la composición química y el tratamiento térmico. Se seleccionan para igualar 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 obtenible en acero, o endurecibilidad.

• Resistencia
  La cantidad de fuerza necesaria para deformar un material. Mayor contenido de carbono y dureza resultan en acero con mayor resistencia.

• Ductilidad
  La capacidad de un metal para deformarse bajo tensión de tracción. Menor contenido de carbono y menos dureza resultan en acero con mayor ductilidad.

• Tenacidad
  La capacidad de resistir el estrés. La ductilidad aumentada suele asociarse con mejor tenacidad. La tenacidad puede ajustarse con la adición de metales de aleación y tratamiento térmico.

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

• Resistencia a la corrosión
  La resistencia de un material contra la oxidación y óxido. El acero fundido exhibe resistencia a la corrosión similar a la del acero forjado. 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 forma removiendo material mediante mecanizado (corte, rectificado o taladrado). La maquinabilidad es influenciada por dureza, resistencia, conductividad térmica y expansión térmica.

• Soldabilidad
  La capacidad de una fundición de acero para ser soldada sin defectos. La soldabilidad depende principalmente de la composición química y tratamiento térmico de la fundición de acero.

• Propiedades a alta temperatura
  Los aceros que operan a temperaturas por encima del ambiente están sujetos a propiedades mecánicas degradadas y fallo temprano debido a oxidación, daño por hidrógeno, incrustación por sulfuro e inestabilidad de carburos.

• Propiedades a baja temperatura
  La tenacidad del acero fundido se reduce severamente a bajas temperaturas. La aleación y tratamientos térmicos especializados pueden mejorar la capacidad de una fundición para resistir 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 acero o asignar designaciones estándar. Los aceros fundidos pueden dividirse en dos categorías amplias —acero fundido al carbono y acero fundido aleado.

Acero fundido al carbono

Como los aceros forjados, los aceros fundidos al carbono pueden clasificarse según su contenido de carbono. Acero fundido bajo en carbono (0,2% carbono) es relativamente blando y no fácilmente tratable térmicamente. Acero fundido de carbono medio (0,2–0,5% carbono) es algo más duro y susceptible a fortalecimiento por tratamiento térmico. Acero fundido alto en carbono (0,5% carbono) se usa cuando se desea máxima dureza y resistencia al desgaste.

Acero fundido aleado

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

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

ASTM	Requisitos Químicos					Requisitos de Tracción
GRADO DE ACERO	Carbono	Manganeso	Silicio	Azufre	Fósforo	Resistencia a la Tracción	Límite Elástico	Alargamiento en 2 pulg.	Reducción de Área
	Máx % / 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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Grados de acero fundido

Los grados de acero han sido creados por organizaciones de estándares como ASTM International, el Instituto Americano 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 usuarios por propiedades específicas o para estandarizar grados de producción específicos.

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

Producción de acero fundido

La práctica de fundir acero data de finales 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 avances en tecnología de hornos.

Los hornos son vasos revestidos de refractario que contienen la "carga", que es el material a fundir, y proporcionan energía para la fusión. Hay dos tipos de horno usados en una fundición de acero moderna: arco eléctrico e inducción.

Horno de arco eléctrico

El horno de arco eléctrico funde lotes de metal referidos como "heats" por medio de un arco eléctrico entre electrodos de grafito. La carga pasa directamente entre los electrodos, exponiéndola a energía térmica de la descarga eléctrica continua.

Los hornos de arco eléctrico siguen un ciclo de operación de descarga a descarga:

1. Carga del horno
   Carga de chatarra de acero y aleaciones se añaden al horno.

2. Fundición
   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 operaciones de fundición de acero. La energía química se suministra a través de quemadores oxi-combustible y lanzas de oxígeno.

3. Refinamiento
   Se inyecta oxígeno para remover impurezas y otros gases disueltos durante el proceso de fundición.

4. Desescoriación
   Escoria excesiva, que a menudo contiene impurezas indeseables, se remueve del baño antes de la descarga. La desescoriación también puede tener lugar dentro del cucharón antes de verter.

5. Descarga (o tap out)
   El metal se remueve del horno inclinando el horno y vertiendo el metal en un recipiente de transferencia como un cucharón.

6. Cambio de horno
   Descarga y preparación se completan para el próximo ciclo de carga del horno.

Pasos adicionales continuos a menudo se toman en varias etapas de este proceso para desoxidar aún más el acero y remover escoria del metal antes de verter. La química del acero puede necesitar ajustarse para tener en cuenta el agotamiento de aleación durante una descarga 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 conductivo, y una corriente alterna se 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 metales, y pueden operarse con pérdida mínima de fundición. La desventaja es que poco refinamiento del metal es posible. A diferencia de un horno de arco eléctrico, el acero no puede ser transformado.

Las fundiciones de acero modernas utilizan frecuentemente chatarra de acero reciclado para reducir el coste e impacto ambiental de la producción de fundiciones. Autos obsoletos, componentes mecánicos y artículos similares se separan, dimensionan y envían a fundiciones como chatarra. Esto se combina con chatarra interna generada en el proceso de fundición y combinada con varios elementos de aleación para cargar el horno de fundición.

Tratamiento térmico

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

• Recocido
  Calentar fundiciones de acero a una temperatura específica, mantener por un período específico y luego enfriar lentamente.

• Normalizado
  Similar al recocido, pero las fundiciones de acero se enfrían al aire libre, a veces con ventiladores. Esto ayuda a las fundiciones a lograr resistencias más altas.

• Temple
  Similar al normalizado, pero el enfriamiento ocurre a un ritmo mucho más rápido usando aire forzado. Agua u aceites se usan como medio de temple.

• Revenido (o alivio de tensiones)
  Técnica usada para aliviar tensiones internas desde dentro de las fundiciones. Estas tensiones pueden aparecer del proceso de fundición, o durante tratamientos térmicos de fortalecimiento o endurecimiento como normalizado o temple. El alivio de tensiones implica calentar las fundiciones a una temperatura bien por debajo de la temperatura de recocido, mantenerla a esa temperatura y luego enfriar lentamente.

Inspección de acero fundido

Las fundiciones de acero a menudo están sujetas a inspecciones para verificar propiedades físicas específicas como precisión dimensional, condición de acabado superficial de fundición e integridad interna. Además, la composición química también debe inspeccionarse. La composición química es dramáticamente afectada por elementos de aleación menores añadidos al material. Las aleaciones de acero fundido son susceptibles a variaciones de su composición química, por lo que análisis químicos son requeridos para verificar la composición química exacta antes de fundir. Una pequeña muestra de metal fundido se vierte en un molde y analiza.

Precisión dimensional

Las inspecciones dimensionales se llevan a cabo para asegurar que las fundiciones producidas cumplan los requisitos dimensionales y tolerancias del cliente incluyendo tolerancias para mecanizado. A veces puede ser necesario destruir fundiciones de muestra para tomar medidas de dimensiones interiores.

Condición de acabado superficial

Las inspecciones de acabado superficial de fundición se emplean para explorar la apariencia estética de las fundiciones. Buscan fallas en la superficie y sub-superficie de las fundiciones que pueden no ser obvias visualmente. El acabado superficial de una fundición de acero puede ser influenciado por el tipo de modelo, arena de moldeo y recubrimiento de molde usado, así como el peso de la fundición y métodos de limpieza.

Integridad interna

Todas las fundiciones tienen algún nivel de defectos presentes, y la especificación de integridad determina el umbral de defecto aceptable. La sobre-especificación del nivel máximo de defecto permitido llevará a tasas de chatarra más altas y costes de fundición más altos. La sub-especificación del nivel máximo de defecto permitido puede llevar a fallo.

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

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

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

3. Contracción
   Vacío o área de baja densidad típicamente interna a la fundición. Es causada por una isla de material fundido que no tiene suficiente metal de alimentación para suministrarla 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 usualmente se realiza por métodos de análisis químico húmedo o métodos espectroquímicos. El análisis químico húmedo se usa más a menudo para determinar la composición de especímenes pequeños, o para verificar análisis de producto post-producción. Contrastantemente, el análisis con espectrómetro es adecuado para la determinación rutinaria y rápida de la composición química de muestras más grandes en un entorno de fundición de producción ocupada. Las fundiciones pueden emprender análisis químico tanto a nivel de carga como de producto.

Análisis de carga (Heat analysis)

Durante el análisis de carga, una pequeña muestra de acero fundido líquido se saca del horno, se deja solidificar y luego se analiza para composición química usando análisis espectroquímico. Si la composición de elementos de aleación no es correcta, ajustes rápidos pueden hacerse en el horno o cucharón antes de fundir. Una vez correcto, un análisis de carga generalmente se considera una representación precisa de la composición de toda la carga de metal. Sin embargo, se esperan variaciones en la composición química debido a la segregación de elementos de aleación, y el tiempo que toma verter la carga de acero. La oxidación de ciertos elementos puede ocurrir durante el proceso de vertido.

Análisis de producto

El análisis de producto se realiza para verificación de análisis químico específico, ya que la composición de fundiciones individuales vertidas puede no conformarse totalmente a la especificación aplicable. Esto puede suceder incluso si el producto fue vertido de una carga de acero donde el análisis de carga fue correcto. Las prácticas y estándares de la industria permiten alguna variación entre análisis de carga y análisis de producto.

Pruebas de acero fundido

Una variedad de propiedades mecánicas pueden lograrse para fundiciones de acero al carbono y aleado alterando la composición y tratamientos térmicos de aceros fundidos. Las fundiciones utilizan métodos de prueba especializados para verificar propiedades mecánicas antes de la finalización del producto.

Cuando se trata de pruebas de acero fundido, hay dos tipos de pruebas usadas en la industria: pruebas destructivas y no destructivas. Las pruebas destructivas requieren la destrucción de una fundición de prueba para determinar visualmente la integridad interna de una pieza. Este método solo proporciona información sobre la condición de la pieza probada, y no asegura que otras piezas serán sanas. Las pruebas no destructivas se emplean para verificar la integridad interna y externa de una fundición sin dañar la fundición misma. Una vez que la fundición pasa las pruebas, puede usarse para su aplicación prevista.

Propiedades de tracción

Las propiedades de tracción para fundiciones de acero son una indicación de la capacidad de una fundición para resistir cargas bajo condiciones de carga lenta. Las propiedades de tracción se miden usando una muestra de fundición representativa sujeta a carga de tracción controlada —fuerzas de tracción ejercidas en ambos extremos de la barra de tracción— hasta el fallo. Al fallar, se examinan las propiedades de tracción.

PROPIEDADES DE TRACCIÓN

PROPIEDADES

DESCRIPCIÓN

Resistencia a la Tracción

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

Límite Elástico

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

Alargamiento (%)

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 transversal original de la barra de tracción, y el área de la sección transversal más pequeña después del fallo en tracción.

Propiedades de flexión

Las propiedades de flexión identifican la ductilidad de una fundición usando una muestra representativa rectangular doblada alrededor de un pasador a un ángulo específico. La barra doblada resultante se observa para verificar grietas objetables.

Propiedades de impacto

Las propiedades de impacto son una medida de tenacidad resultante de probar la energía requerida para romper una muestra estandarizada con muesca. Cuanta más energía se requiera para romper la muestra, más tenaz el material fundido.

Dureza

La dureza es una medida de la resistencia de una fundición a la penetración usando pruebas de indentación. Es una propiedad que indica resistencia al desgaste y abrasión de aceros fundidos. La prueba de dureza también puede proporcionar un método fácil y rutinario para probar indicaciones de resistencia a la tracción en un entorno de producción. Un resultado de prueba en escala de dureza normalmente correlacionará estrechamente con propiedades de resistencia a la tracción.

Servicios de fundición personalizados

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