Fundición de hierro dúctil en arena:capacidades y limitaciones del proceso

El acero al carbono no es fácil de moldear 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 fundición de acero a fundición 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 el moldeo en arena.

Dos tipos de hierro fundido

Los fundidores llevan siglos fabricando y trabajando con fundición gris. Se funde y moldea fácilmente y tiene buena maquinabilidad, pero su desventaja es la baja resistencia a la tracción y la ductilidad.

La baja resistencia es causada por escamas de grafito distribuidas por toda la matriz metálica. Estos proporcionan puntos de inicio de grietas que conducen a la debilidad.

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

El hierro fundido dúctil es ligeramente menos denso que el acero (0,256 lb/in3 / 7,1 g/cm3 frente a 0,284 lb/in3 / 7,8 g/cm3) y, por lo tanto, es más ligero, aunque la resistencia a la tracción es muy similar. Tiene una ductilidad moderadamente buena, buena resistencia al desgaste y puede absorber cargas de impacto.

El proceso de fundición en arena

El moldeado en arena comienza con un patrón que replica la pieza que se va a moldear. Esto se coloca en una caja que se llena de arena. Luego se saca el patrón para dejar una cavidad que se rellenará con metal.

La caja, técnicamente, un "frasco", consta de dos mitades, una "copa" superior y un "arrastre" inferior. Se forman pasajes en la cubierta donde fluirá el metal y el exceso de metal se elevará una vez que se llene la cavidad. Estos son los corredores y contrahuellas.

Una vez que el metal se ha solidificado, se sacude la arena y se envía la pieza fundida para que se retiren la corredera y el elevador antes de mecanizarse.

Hierro Dúctil y Arena

La arena juega un papel vital en el proceso de fundición. Al ser ligeramente permeable, permite que el gas se mueva y al mismo tiempo enfría el metal líquido, que se solidifica de afuera hacia adentro. La densidad del empaque y la composición de la arena se deben manejar con cuidado para garantizar una contracción del metal constante y la calidad de la pieza.

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

Además de la propia arena, la arena verde para fundición contiene una proporción de arcilla bentonítica. Esto actúa como un aglutinante y mantiene unida la arena compactada en el matraz.

El polvo de carbón, a veces llamado “carbón de mar”, es un componente importante de la arena para la fundición de hierro dúctil. Su función es producir una atmósfera reductora que absorbe el oxígeno liberado cuando el hierro caliente entra en contacto con la arena. Disminuye la expansión y da como resultado superficies de yeso más suaves 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 fabricar piezas de hierro fundido que puedan competir con el acero. Estos son la inoculación y el tratamiento con magnesio. Para fundición dúctil de la mejor calidad, se realizan justo antes del vertido.

La inoculación aborda la tendencia del carbono a precipitarse en forma de hojuelas de grafito. Implica agregar pequeñas cantidades de aleaciones especialmente seleccionadas que proporcionan puntos para que el carbono se nuclear o cristalice. Esto evita la formación de lascas que son perjudiciales para la resistencia y la ductilidad.

De manera similar, se agrega magnesio para "limpiar" 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 dúctil es ideal para producir piezas de hierro fundido que pueden competir con el acero. Se requieren tolerancias de contracción y ángulos de desmoldeo para crear piezas de calidad y casi siempre se necesitará un mecanizado secundario para agregar características de precisión como orificios y superficies de montaje. Además, las secciones delgadas no son prácticas. Sin embargo, se pueden obtener buenos acabados superficiales con el uso de polvo de carbón.

La fundición en arena ofrece pocas limitaciones en cuanto al tamaño de las piezas que se pueden moldear. Las piezas pequeñas que pesan menos de una libra (0,5 kg) fundidas, así como las que pesan cientos de libras y se miden en pies.