8va. sesion soldadura del fierro fundido

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?