Fundición en arena de hierro dúctil: visión general del proceso, ventajas y limitaciones

El acero al carbono no es fácil de fundir en arena debido a su alto punto de fusión. El hierro fundido dúctil es una alternativa. Su punto de fusión más bajo proporciona una forma de lograr propiedades metalúrgicas similares a las del acero en una pieza fundida en arena. Cambiar de acero a fundiciones de hierro dúctil es una forma de reducir los requisitos de mecanizado y quizás también el costo por pieza.

Aquí hay una introducción al hierro fundido dúctil y una explicación de lo que implica fundirlo en arena.

Dos tipos de hierro fundido

Los fundidores han estado fabricando y trabajando con hierro fundido gris durante siglos. Se funde y funde fácilmente y tiene buena maquinabilidad, pero su caída es la baja resistencia a la tracción y ductilidad.

La baja resistencia es causada por escamas de grafito distribuidas a lo largo de la matriz metálica. Estas proporcionan puntos de iniciación de grietas que conducen a debilidad.

El hierro fundido dúctil, desarrollado a mediados del siglo XX, supera este problema. Agregar pequeñas cantidades de elementos cuidadosamente seleccionados a hierro de cerdo de alta calidad rico en carbono crea diminutas esferas de grafito en una matriz de ferrita y perlita (Fe3C) en lugar de escamas. Por esta razón, a veces se le llama hierro fundido esferoidal o nodular.

El hierro fundido dúctil es ligeramente menos denso que el acero (0,256 lb/pulg³ / 7,1 g/cm³ versus 0,284 lb/pulg³ / 7,8 g/cm³), y por lo tanto más ligero, sin embargo, la resistencia a la tracción es muy similar. Tiene ductilidad moderadamente buena, buena resistencia al desgaste y puede absorber cargas de choque.

El proceso de fundición en arena

La fundición en arena comienza con un modelo que replica la pieza que se funde. Este se coloca en una caja que se empaqueta con arena. El modelo se retira luego para dejar una cavidad que se llenará con metal.

La caja, técnicamente un "frasco", comprende dos mitades, un "cope" superior y un "drag" inferior. Se forman pasajes en el cope donde fluirá el metal, y el exceso de metal subirá una vez que la cavidad esté llena. Estos son los canales y risers.

Una vez que el metal se ha solidificado, la arena se sacude y la fundición se envía para remoción de canales y risers antes de ser mecanizada.

Hierro dúctil y arena

La arena juega un papel vital en el proceso de fundición. Al ser ligeramente permeable, permite que el gas salga mientras al mismo tiempo enfría el metal líquido, que se solidifica desde el exterior hacia adentro. La densidad de empaquetado y la composición de la arena deben gestionarse cuidadosamente para asegurar una contracción metálica consistente y calidad de la pieza.

El hierro dúctil se funde usualmente en arena verde que contiene alrededor del 5% de polvo de carbón. "Verde" en este contexto se refiere no al color sino al contenido de humedad. La arena "verde" es arena que no ha pasado por un proceso de secado.

Además de la arena misma, la arena verde para fundición contiene una proporción de arcilla bentonita. Esto actúa como aglutinante y mantiene la arena empaquetada unida en el frasco.

El polvo de carbón, a veces llamado "carbón de mar", es un constituyente importante de la arena para fundición de hierro dúctil. Su función es producir una atmósfera reductora que absorba el oxígeno liberado cuando el hierro caliente entra en contacto con la arena. Ralentiza la expansión y resulta en superficies de fundición más lisas y limpias con menos arena quemada. La arena de fundición que contiene polvo de carbón se reconoce fácilmente por su apariencia gris o casi negra.

Inoculación de hierro fundido

Dos pasos de procesamiento son clave para hacer piezas de hierro fundido que puedan competir con el acero. Estos son inoculación y tratamiento con magnesio. Para la mejor calidad de hierro fundido dúctil, se realizan justo antes del vertido.

La inoculación aborda la tendencia del carbono a precipitarse como escamas de grafito. Implica agregar pequeñas cantidades de aleaciones especialmente seleccionadas que proporcionan puntos para que el carbono nuclee o cristalice. Esto previene la formación de las escamas que son perjudiciales para la resistencia y ductilidad.

De manera similar, el magnesio se agrega para "absorber" cualquier azufre en el hierro. Al igual que con la inoculación, esto mejora las propiedades mecánicas del metal resultante.

Capacidades y limitaciones

La fundición en arena de hierro dúctil es ideal para producir piezas de hierro fundido que puedan competir con el acero. Se requieren tolerancias de contracción y ángulos de desmoldeo para crear piezas de calidad y el mecanizado secundario casi siempre será necesario para agregar características de precisión como agujeros y superficies de montaje. Además, las secciones delgadas son imprácticas. Sin embargo, buenos acabados superficiales son obtenibles con el uso de polvo de carbón.

La fundición en arena ofrece poca limitación al tamaño de piezas que pueden fundirse. Piezas pequeñas que pesan menos de una libra (0,5 kg) funden tan bien como aquellas que pesan cientos de libras y se miden en pies.