El análisis térmico de la fundición y las propiedades de la misma

Resumen

Si se quiere comprender por qué la fundición gris, a pesar de sus insuficiencias (en realidad, más aparentes que reales), ha adquirido un puesto tan importante en nuestra civilización moderna, es preciso darse cuenta de la diversidad de ventajas en comparación con otros materiales, ventajas que muchas veces la hacen insustituible. A su reducido costo, se añade la sencillez de su metalurgia, la gran facilidad de trabajo por moldeo y mecanizado, posibilidad de conferirles las propiedades más diversas en un extenso intervalo, de forma que puede adaptarse tan exactamente como sea posible a las solicitaciones que luego ha de sufrir en la práctica. Durante mucho tiempo, la tendencia dominante ha sido a considerarla como un metal de calidad inferior, frágil, irregular, rebosante de defectos internos. En resumen, era el pariente pobre del acero. La opinión más extendida era que resultaba ilusorio intentar conocerla más a fondo para emjorarla. Esta opinión fue adoptada, no solo por numerosos constructores a raíz de fracasos que podrían haberse evitado, sino, lo que es menos admisible, en ciertos medios de fundición. Este prejuicio existe aún y debe atribuirse a la disposición, inherente al alma humana, que nos hace gastar más esfuerzo intelectual en disimular o tapar ciertas dificultades que en abordarla francamente y resolverlas. Durante un largo periodo que se remonta al comienzo de la Edad de Hierro, para la Edad Media y alcanza, incluso, las épocas más reciente, la fundición gris ha sido un refugio del empirismo secular que reinaba despóticamente y que se oponía sistemáticamente a cualquier espíritu de investigación científica y a todo deseo de progreso. Los antiguos fundidores tenían la convicción de estar iniciados en los arcanos de un verdadero arte. Todavía en la actualidad, se habla del arte del fundidor como se habla de la ciencia del ingeniero. Durante una estancia temporal del autor de esta Memoria en una fundición portuguesa, pudo constatar con sorpresa que a los moldeadores se les llamaba “artistas” en el lenguaje normal del taller. Ellos creían ser los detentadores privilegiados de una especie de revelación esotérica celosamente mantenida en secreto y transmitida de padres a hijos. Todavía no está lejano el periodo en que la adición de excrementos de vaca o aceite de sardina se consideraba como muy importante para la preparación de ciertos moldes destinados a la colada de piezas pesadas. Los pioneros del espíritu científico, que han intentado comprender mejor la fundición gris, han comprobado que es un metal tan interesante como complejo, dotado de propiedades muy diversas, propiedades que no solo eran susceptibles de variar entre límites muy amplios, sino que también podían mejorarse considerablemente. Ya en el siglo XVIII, el canónigo inglés Joseph Glanvill, de vida algo corta (1636-1680) escribía lo siguiente: “Iron seemeth a simple metal But in its nature are many mysteres, And those who bend to them their mind shall In arriving days gather therefrom great profit Not to themselves alone but to all mankind” Sus intentos no fueron muy afortunados siempre. Se olvidaba que las propiedades de las fundiciones grises están limitadas a un intervalo sistemático debido a sus características naturales y que va contra su esencia intentar convertirlas en un acero mediocre. Esto ha ocurrido en laboratorios modernos que parecen haber ignorado que la fundición gris no debe, en ningún caso, renunciar a sus propiedades primordiales, especialmente la sencillez de su fabricación. Los esfuerzos realizados en años todavía cercanos no han tenido siempre en cuenta estas consideraciones de simple sentido común. Se ha querido crear tipos de fundiciones grises cuya resistencia a la tracción llegara a batir records, sin darte cuenta que se estaba sacrificando la facilidad de moldeo, se aumentaban peligrosamente las tensiones internas y frecuentemente se hacía al metal mucho más sensible a los esfuerzos de entalla y a los choques dinámicos y térmicos. Como resultado hubo una serie de fracasos que contribuyeron a agravar la desconfianza casi instintiva que muchos constructores y proyectistas sentía hacia la fundición gris. Se creó un estado de opinión, no siempre exagerado y malintencionado, de que las fundiciones modernas estaban muy lejos de ser tan buenas, al menos en lo que concierne a tenacidad, como las antiguas producidas en cubilote de viento frío con carbón vegetal. Cuando se estudian las fundiciones grises hay que tener en cuenta cuatro hechos fundamentales que determinan su fabricación, mecanizado y adaptación a las condiciones de empleo: 1. La estructura es esencialmente heterogénea, ya que está constituida por laminillas de grafito repartidas irregularmente en un acero al que se ha hecho anormal por sus elevados contenidos de silicio y, a veces, de fósforo. Las laminillas de grafito, vistas en el espacio, presentan formas curvas que, a primera vista, parecen estar repartidas de una forma totalmente arbitraria. Se ha demostrado inequívocamente que se trata de cristales elementales de carbono de muy pequeñas dimensiones, cuya red tiene todas las características de un sistema cristalino. 2. Las dimensiones, forma y distribución de estas inclusiones de grafito vienen influenciadas considerablemente por la velocidad de enfriamiento en el curso de la solidificación eutéctica o, lo que es igual, por la temperatura de colada y por el peso y dimensiones de las piezas moldeadas; estos fenómenos se acentúan por el efecto de sobrefusión siempre presente, aunque más o menos pronunciado. 3. Al contrario de lo que pasa a otras aleaciones de estructura policristalina, dotadas de textura primaria de colada, la estructura primaria que se observa en la fundición no es susceptible de modificarse por un tratamiento térmico a temperatura inferior a la de fusión. 4. El eutéctico formado en el curso de la solidificación comprende, además de grafito, cristales mixtos de hierro gamma, cuyo contenido en carbono disuelto depende de la presencia de elementos acompañantes, especialmente silicio y fósforo. En el curso de enfriamiento ulterior, se llega al punto de transformación del eutectoide en el que, según la velocidad de paso por ese punto, los cristales mixtos de hierro gamma se descomponen en ferrita y cementita que pasan a constituir las estructuras más diversas, estructuras que van desde la perlita hasta (frecuentemente acompañada de ferrita) a la perlita fina, sorbita, vainita e incluso martensita. Se observa aquí una anisotropía secundaria, reservándose el nombre de anisotropía primaria a la aparición de laminillas de grafito eutéctico en el curso de la solidificación, caracterizada esencialmente porque la dureza Brinell varía tanto con el contenido en carbono combinado como con la distancia interlaminar de los elementos constitutivos de la estructura secundaria. Es como si se tratara de un acero desconocido que contuviera silicio, manganeso, azufre y, a veces, cromo, níquel y molibdeno. Como en el caso de los aceros, sus propiedades pueden ser modificadas profundamente por calentamiento a temperatura superior a la de la transformación, seguido de un enfriamiento más o menos rápido que puede llegar hasta el temple martensítico. La originalidad de las fundiciones reside en el hecho de que un tratamiento térmico a temperatura apropiada puede servir para eliminar las tensiones internar originadas por el enfriamiento irregular en un molde más o menos rígido, o bien para descomponer la cementita y así permitir una transformación más o menos completa de la perlita en ferrita pura, o bien para provocar la aparición de las estructuras más diversas de temple. La posibilidad de ferritización es muy interesante desde el punto de vista técnico, ya que permite, sin modificación de la estructura primaria, conferir a la estructura secundaria características de ductilidad y tenacidad. Estas consideraciones elementales son del dominio de todos los especialistas, pero siempre resulta útil recordarlas, ya que tienen una importancia esencial cuando se pretende adaptar en lo posible las características de una pieza fundida a las condiciones de uso. Hay que destacar, por otra parte, que tanto la estructura primaria por la presencia de laminillas de grafito, como la estructura secundaria caracterizada por el aspecto micrográfico y las propiedades de la matriz acerada, están influidas básicamente por dos factores. Uno de ellos es la composición química y el otro la velocidad de enfriamiento en el molde. A estos dos factores principales se podría añadir un tercero que da cuenta del cuidado empleado en la elaboración de la fundición líquida y de los tratamientos que ha podido sufrir antes de la colada, tales como sobrecalentamiento, desulfuración, inoculación, modificación del índice de basicidad de la escoria, fusión al vacío, desgaseado por barboteo de gases inertes, etc. Este largo preámbulo ha sido necesario para situar correctamente los problemas que se va a intentar resolver en este trabajo de investigación. No es solamente una rehabilitación de la fundición gris lo que se ha intentado en este trabajo, sino comprender algo mejor todas las anomalías que esta puede presentar. Hay que profundizar en las causas reales de ciertos fallos prematuros, en condiciones de utilización que uno creía conocer bien, o de ciertas roturas accidentales que habrían podido tener graves consecuencias y que parecen inexplicables a la luz de las ideas generalmente admitidas. En este trabajo, y confirmando la experiencia existente, se comprueba que las fundiciones, a diferencia de los aceros, no son un material absolutamente fiable, por lo que cualesquiera conclusiones que se obtengan sobre ellas tienen validez exclusivamente estadística. En consecuencia, han de apoyarse en un gran número de experimentos; así se ha hecho en el presente trabajo, como puede comprobarse. El intervalo de composiciones y calidades de fundición que se han estudiado ha sido amplísimo, por lo que las conclusiones derivadas de los resultados obtenidos son aplicables a cualesquiera aleaciones hierro-carbono-silicio utilizadas en la práctica normal de fundición. Para no introducir variables insospechadas y resultados erráticos, no se han estudiado las fundiciones inoculadas y las fuertemente aleadas, quedando abierto este campo para trabajos posteriores. CONCLUSIONES 1. El análisis térmico de una fundición (hecha la salvedad de las hipereutécticas) permite predecir, con buenos márgenes de seguridad, la composición química de la misma mediante la aplicación de fórmulas matemáticas sencillas. A continuación, se reproducen las que presentan un índice de correlación más alto: TL = 1513 – 85 CE TL = 1539 – 95 CEL TL = 147 - 316 SC ∆T = 418 – 98 CE Estas fórmulas relacionan la temperatura de liquidus (TL) y el intervalo de solidificación (∆T) con el carbono equivalente (CE), carbono equivalente en el liquidus (CEL) y grado de saturación (SC). 2. El problema inverso (excepto, claro está, para fundiciones hiperreutécticas) es también factible. Es decir, conocidos los puntos críticos que se desea presente el baño, se puede actuar sobre la composición química del mismo por medio de las adiciones aleantes oportunas para que los puntos críticos que presente sean los previstos. 3. Conocida la composición química de la fundición, es posible conocer las características mecánicas que presentarán las piezas elaboradas con ese material, por medio de las siguientes fórmulas: R = 0,2 HB – 12,7 R = 82 – 15,6 CE R = 81,5 – 16,5 CEL HB = 516 – 82 CE HB = 427 – 257 SC Estas fórmulas relacionan la resistencia a la tracción (R) y dureza Brinell (HB) entre sí y con el carbono equivalente (CE), carbono equivalente en el liquidus (CEL) y grado de saturación (SC). 4. También se puede resolver el problema inverso. Ello supone que cuando han de cumplirse unas características mecánicas determinadas en la pieza fundida es posible, mediante las fórmulas antes citadas, saber la composición química que ha de presentar la fundición elaborada. Es innecesario decir que estas fórmulas pueden reflejarse en ábacos. 5. En la práctica de la fundición, esto se traduce en la factibilidad de planificar la composición de una fundición para que presente las características deseadas y de corregir mediante ferroaleaciones las posibles desviaciones de los puntos críticos que se observen en el análisis térmico de los caldos de fundición. RECOMENDACIONES DE FUTURO. El trabajo objeto de la presente Memoria es importante, no ya intrínsecamente, sino por las posibilidades de prolongación y nuevo desarrollo que abre. En este sentido, se puede decir que no es un fin de trayecto, sino simple eslabón de una cadena. A lo largo de la exposición, se han ido examinando diversos problemas que no quedaban suficientemente resueltos o que suponían otras posibles vías de actuación. Como consecuencia, pueden proponerse los siguientes temas de investigación para el futuro: 1. Puesta a punto de aparatos sensibles y manejables para el análisis térmico. Aplicación de esta técnica al estudio de fundiciones hiperreutécticas, hierros fosforosos e, incluso, aleaciones no férricas. 2. Sensibilidad al espesor de las fundiciones, es decir, influencia del espesor de las piezas fundidas sobre la dureza y resistencia que presentarán. 3. Puesta a punto de relaciones entre la microestructura de las fundiciones, especialmente del número de células eutécticas, y los puntos críticos y características mecánicas de aquéllas.