8va. sesion soldadura del fierro fundido
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FIERRO FUNDIDO Y SU SOLDABILIDAD Mg. HUGO FERRO CUELLAR
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FIERRO FUNDIDO Y SU
SOLDABILIDAD
Mg. HUGO FERRO
CUELLAR
Las fundiciones o Hierros fundidos son aleaciones de Hierro -
Carbono - Silicio que por lo general contienen de 2 a 4 % de
C, y 0.5 a 3 % de Si. Se caracterizan por adquirir su forma
definitiva directamente por colada, no se someten estas
aleaciones a procesos de deformación plástica en frío ni
caliente.
Propiedades:
Es un metal muy tenaz, no son dúctiles ni maleables que se
funde a 1539 °C.
Tampoco son forjables ni laminables.
El Hierro pulverizado se incendia espontáneamente en
contacto con el aire a temperatura ambiente.
Clases de Hierro:
Hierro dulce: contiene hasta el 0.1 % de carbono.
Acero: contiene entre 0.1 y 2 % de carbono.
Hierro colado: contiene más del 2 % ciento de carbono.
El Hierro presenta diversas formas estructurales
dependiendo de la temperatura:
Hierro alfa (α) o ferrita: Se encuentra a temperatura
ambiente hasta los 788°C. El sistema cristalino es una
red cúbica centrada en el cuerpo y es ferromagnético.
Hierro beta (β): Se encuentra a temperatura de 788 ºC
a 910 ºC; tiene el mismo sistema cristalino que la α,
pero la temperatura de Curie es de 770 ºC.
Hierro gama (γ) o austenita: Se encuentra a
temperatura de 910 ºC a 1400 ºC. Presenta una red
cúbica centrada en las caras.
Hierro delta (δ): Se encuentra a temperatura de 1400
ºC a 1539 ºC; vuelve a presentar una red cúbica
centrada en el cuerpo.
Los minerales de Hierro más usados como materia prima
para la obtención de este metal son:
Magnetita: Contiene el Hierro en forma de óxido ferroso o
férrico (FeO). El contenido de Hierro en estos minerales
oscila, en la práctica, del 45 al 70%.
Siderita: Es la combinación del ácido carbónico con el hierro
(FeCO,) (carbonato de hierro). El contenido de Hierro en
este mineral oscila, en la práctica, entre 30 y 42%. El mineral
tiene un color gris con matices de amarillo.
Hematita: Es el óxido de hierro deshidratado (FeO). Este
mineral contiene del 50 al 60% de Hierro. Se reduce con
mayor facilidad que el imán natural (magnetita).
Limonita: Es el óxido de hierro hidratado (2FeO 3H20). El
mineral contiene del 20 al 60% de Hierro. Se reduce bien, lo
que hace económica la obtención del Hierro colado incluso
con minerales pobres.
FUNDICIÓN DEL HIERRO
El Hierro colado o fundición se fabrica en los llamados
altos hornos. Se caracteriza por servir para moldeo, ser
resistente a la compresión y tener fragilidad. Se puede
obtener varias clases de hierro colado dependiendo del
proceso de fabricación, del enfriamiento, de la materias
primas y de la ganga del mineral.
ALTO HORNO
CLASIFICACION DE LAS
FUNDICIONESSe clasifican desde dos puntos de vista:
De acuerdo a su fractura
De acuerdo a su microestructura
Por el aspecto a su fractura
Se clasifican en:
• Fundición gris: Se utiliza para moldear objetos y piezas en los talleres
de fundición. Contiene de 3 a 4.5% de Carbono. Se dilata al solidificarse
por eso es adecuado para el moldeo
• Fundición blanca: Contiene del 2.5 a 3 % de carbono totalmente
combinado formando cementita, muy dura y frágil. Se emplea para la
fabricación del acero.
• Fundición atruchada (grisáceo): Es la fundición intermedia resultado
de la mezcla de las dos. Se emplea para la fabricación del acero.
Hay que tener en cuenta que la velocidad de enfriamiento tiene gran
influencia sobre la formación de una u otra fundición.
Con enfriamiento lento se ve favorecida la formación de fundición gris.
El enfriamiento rápido produce fundición blanca.
El tono de gris que presentan las fundiciones grises y atruchadas se
debe a la presencia de una gran cantidad de grafito laminar
Por su microestructura:
Se clasifican en tres grupos:
Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra combinado
formando cementita y que romper presenta fractura de fundición
blanca.
Fundiciones en las que todo el carbono está en estado libre, en
forma de grafito.
Fundiciones en las que parte del carbono está libre en forma de
grafito y parte combinado en forma de cementita.
Fundición gris perlítica Fundición gris ferrítica
Fundición blanca
Fundición maleable Europea Fundición maleable USA
Fundición dúctil
SOLDADURA DEL FIERRO
FUNDIDO
¿CUÁNDO SE SUELDA FIERRO
FUNDIDO?Reparaciones en fundiciones ( producción
o luego de servicio)
Unión de pequeñas fundiciones para crear
un componente más grande
¿ ES DIFÍCIL SOLDAR FIERRO FUNDIDO?
Esta entre los materiales más difíciles de soldar pues:
– Tendencia elevada a la fisuración
– Tiene alto contenido de carbono y en diferentes formas
– Existe una amplia variedad de microestructuras
y composiciones químicas
– Es un material de naturaleza frágil y de poca enlongación
– Tiene alta tendencia a la porosidad ya que el grafito absorve
y retiene lubricantes y otros líquidos
– Los esfuerzos residuales desarrollados pueden
causar fisuración
¿ ES DIFÍCIL SOLDAR FIERRO FUNDIDO?
Metal de soldadura
Hierro fundido líquido al enfriar
rápido tiende a formar carburos
duros suceptibles a la fisuración
y difíciels de maquinar. Esto se
puede reducir con aleantes,
selección del aporte, baja
dilución, etc.
Zona afectada por calor
El grafito no es afectado
sensiblemente. La matriz se
transforma en martensita
con un enfriamiento rápido.
Se puede disminuir esta
dureza con enfriamiento
lento.
Porosidad
Soldabilidad relativa de hierros
fundidos...
Test desarrollado por Committee of Welding Iron Castings(comité de soldadura del fierro fundido)
Se hace una soldadura autógena a diferentes temperaturas
Se determina la Temperatura de no Fisuración ( No cracktemperature): TNF
Está correlacionada con la composición química
CE= C+0.31Si+0.33P+0.45S-0.028Mn+Mo+Cr-0.02Ni-
0.01Cu
TNF ⇓ ⇒ mejor soldabilidad
CE ⇓ ⇒ mejor soldabilidad
Antes de soldar...
Prueba de contaminantes : cordón de 2 – 3 pulgadas, quitar escoria y esmerilar hasta la superficie original
Debe encontrase una superficie densa sin porosidades
Esta prueba también puede usarse para probar el material de aporte
Arena, pintura,grasa, etc debe ser removido
Temperatura de remoción de grasas y aceites:
370°C a 480°C
Antes de soldar...
Remover completamente los defectos
Defectos lineales : agujeros o cordones con
aportes dúctiles : Ni ó Fe-Ni
Si se prepara con AAC no tocar el material base
con el electrodo de carbón
AAC creará una ZAC
Esta ZAC puede ser removida por esmerilado
NOTA: AAC significa: ALTA AUTORIZACION CERTIFICADA
Diseños de junta...
En materiales delgados usar juntas en “V” o en “U”
Además los ángulos de bisel deben ser incrementados si se usan aportes de niquel. El charco de soldadura es mas viscoso y difícil de manipular que los aportes de acero
Los talones deben ser disminuidos pues los aportes de base níquel tienen menorpenetración que los aportes de acero
Espesores delgados...
Diseños de junta...
En espesores gruesos ( mayores a ½ pulgada) usar juntas que distribuyan los esfuerzos creados durante la soldadura.
Biseles a ambos lados son efectivos para estefin: doble “ V” o doble bisel hasta espesores de¾”
Para espesores mayores a ¾” usar doble “U” o doble “J”
Cuando se accede sólo por un lado se puede usar una “ U” modificada
Espesores gruesos...
Espesores gruesos...
Precalentamiento...
Menor calor aportado menor ZAC
Ventajas del precalentamiento:
– Reduce velocidad de enfriamiento
– Reduce dureza de la ZAC
– Disminuye los esfuerzos residuales
– Disminuye la distosión
– Mejora la fusión
– Reduce los gradientes de temperatura cuando se
sueldan materiales delgados con materiales gruesos
Precalentamiento...
Mientras más tendencia haya a la fisuración ( menor ductilidad) más importante es el precalentamiento.
Se puede usar el CE como un guía
Cuando se sueldan espesores diferentes calentar mas el más grueso
Una pieza compleja requiere más precalentamiento
Debe ser mantenido durante toda la soldadura luego de lo cual se debe verificar un enfriamiento lento.
Precalentamiento: 320 °C – 540°C⇒baja tendencia a formar martensita
Precalentamiento...
Aplicar el precalentamiento de forma tal que el
metal de soldadura y la ZAC se encuentren en
compresión durante el enfriamiento
Precalentamiento...
Precalentamiento
aplicado en forma
adecuada de modo
que la unión esta
en compresión
luego de la soldadura
Precalentamiento...
Temperatura de precalentamiento e interpase
recomendadas
Tipo Matriz Temperatura
mínima °C
Temperatura
máxima °C
Gris - 316 650
Maleable Ferrítica 20 650
Maleable Perlítica 20 – 316 650
Dúctil Ferrítica 20 650
Dúctil Perlítica 20 - 316 650
Precalentamiento...
*Metal aporte: ENiFe-CI ; metal base: Hierro fundido gris clase 20
Tp ( °C) Dureza metal
de soldadura
*(BHN)
Dureza
ZAC
(BHN)
Dureza Metal
base (BHN)
Microestructura ZAC
No 342 – 362 426-480 165 – 169 Martensita
107 297 – 362 404 – 426 165 – 169 Martensita, perlita y
carburos
232 305 – 340 362 – 404 169 Más perlita
316 185 - 228 255 - 322 169 - 176 Casi toda la mertensita
es reemplazada por
perlita
400 No hay martensita
Martilleo ( Peening)...
Funciones:– Aliviar esfuerzos residuales
– Prevenir la distorsión
– Disminuir la fisuración
Trabajo mecánico: impactos moderados repetidos
Golpe debe producir flujo plástico, no rotura
Se aplica en caliente ( por encima de 540°C) con un martillo redondeado de diámetro entre ½” y ¾”
Enfriameinto lento⇒menores esfuerzos residuales
Metales de aporte...
Especificación AWS : ANSI/AWS A5.15
Specification for Welding Electrodes and Rods
for Cast Iron
Aportes de Acero Inoxidable...¡NO!
– Tendencia a formar carburos de cromo
– Alta diferencia entre resistencias mecánicas
– Alta diferencia entre coeficientes de enlongación
Metales de aporte...Aportes hierro fundido (citofonte)
– AWS A5.15 ECI
– Núcleo de fierro fundido
– Buena compatibilidad de color con el hierro fundido gris
– Depósito frágil; tendencia a la fisuración
Aportes base acero (ferrocord U)
– AWS A5.15 tiene núcleo de acero
– Metal de soldadura endurecido por dilución con metal base
– Muy difíciles de maquinar
– Contarcción del acero es mayor que la del fierro fundidopor lo que hay grandes esfuerzos residuales
Metales de aporte...
Aportes base níquel– Baja tendencia a la fisuración
– La solubilidad del carbono en níquel es muy baja ( 0.02%).
– Conforme el cordón enfría el carbono es rechazado y precipita como grafito
– Esto produce la expansión del volúmen del metal de soldadura disminuyendo los esfuerzos de contracción
– Por lo tanto se disminuye la posibilidad de fisuración
– Fósforo tiene tendencia a fisurar depósitos ricos en níquel
Metales de aporte...
Aportes base níquel
– AWS A5.15: ENi-CI : Depósito suave y maquinable
– Producto OERLIKON : CITOFONTE
– Aportes Níquel – Fierro
• Depósitos más dúctiles y resistentes
• Más tolerable al fósforo
• Menor coeficiente de expansión que el níquel
• Más baratos que los aportes de alto níquel
• AWS A5.15 ENiFe-CI
• Producto OERLIKON : EXSANIQUEL Fe
Metales de aporte...
Aportes base Níquel
– Aportes Níquel – Fierro – Manganeso
• ER NiFeMn-CI
• Rango de solidificación más compatible con el metal
base ( liquidus 100 °C mas bajo que en sistemas Ni-Fe)
• Coeficiente de expansión térmica mas cercano a la de
los fierros fundidos dúctiles
• Se puede obtener juntas de 100% de eficiencia en
fierros fundidos dúctiles
¿Cómo disminuimos los esfuerzos
residuales?
¿Cómo disminuimos los esfuerzos
residuales?
