1.1.7. Foneries

Figura 30. Diagrama tec per a una acer (a) de composició eutectoide i (b) martensític 4340. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

1.1.7. Foneries

En realitat, el diagrama de fases Fe-C no és el que s’indica en la figura 12, ja que la cementita (Fe3C) és una estructura metaestable que es descompon segons l’equació següent:

Fe3C → 3 Fe + C (Grafit)

El temps necessari perquè la reacció transcórrega sobrepassa la vida útil de l’aliatge en la majoria dels acers, excepte en les foses amb un contingut en C superior al 2,1 % en pes. La grafitització17 es pot modular mitjançant la composició química, gràcies a la incorporació d’elements d’aliatge (Si, Ni, Mg, Mn, Cr...), com als tractaments tèrmics aplicats.

Es denominen foneries aquest tipus d’aliatges ferris perquè la seua temperatura de fusió és considerablement inferior a altres aliatges a base de ferro. La temperatura de fusió d’aquests materials ve donada per la línia de liquidus, que comença des del contingut en C de 2,1 % en pes (1300 °C) fins 1150 °C en el punt eutèctic (4,3 % C en pes).18 A causa dels baixos punts de fusió són aliatges que es conformen molt bé per emmotllar, ja que fonen amb facilitat com el seu propi nom indica.

17. Transformació de cementita en grafit Fe3C  3Fe + C (grafit) 18. La frontera entre els acers i les foneries és precisament aquest punt, és a dir, el límit de solubilitat del carboni en l’austenita. A partir d’aquest límit comença a formar-se separadament cementita, que dona lloc a la grafitització en l’aliatge.

Són aliatges barats i fàcils de conformar, motiu pel qual industrialment presenten un alt interès per la seua bona relació propietats/costos. Hi ha quatre tipus principals de foses: gris, blanca, dúctil i mal·leable (vegeu la fig. 3, sobre la classificació dels aliatges). En general, no són enduribles mitjançant deformació en fred o en calent.

En la figura 31 es mostren les diferents varietats microestructurals que es poden formar de 3,5 % a 4,3 % en pes de carboni i en funció dels aliants i els tractaments tèrmics realitzats.

Figura 31. Quadre resum de la composició i dels tractaments tèrmics necessaris per a la formació de les principals foneries fèrries comercials. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

El nom de fosa grisa ve donat per l’aspecte grisenc que presenta la seua fractura, a causa de la presència del grafit laminar present a la superfície. El contingut en C varia del 2,5 % al 4 % en pes i se sol afegir Si per facilitar la grafitització de l’aliatge.19 En la figura 32 es mostra la microestructura d’una fosa grisa típica, on s’aprecien les escates de grafit. La matriu pot ser o ferrítica o perlítica depenent de la composició, el tractament tèrmic aplicat i dels aliants presents. La majoria dels aliatges de ferro presenten fòsfor com a impuresa del ferro colat. Aquest es combina formant fosfur de ferro (Fe3P) que, juntament amb la perlita, forma l’estructura

coneguda com a esteadita.

Figura 32. Microestructures de foses grises amb, a) matriu ferrítica a 100 augments i b) matriu perlítica (esteadita) a 400 augments. Adaptat del web: http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/y2.html (2017)

Les propietats mecàniques són pobres en relació amb altres aliatges ferris, per la seua microestructura. El grafit laminar actua com a concentrador de tensions, raó per la qual al ser sotmès a tracció es fractura amb una relativa facilitat. Per contra, presenta una alta resistència a la compressió i al desgast. Una altra característica que fa molt útil industrialment aquests aliatges és la capacitat d’absorbir i esmorteir vibracions, ja que presenta un bon comportament enfront d’esforços cíclics. Així mateix, mitjançant tractaments tèrmics i aliatges es pot modificar fàcilment l’estructura i, per tant, les seues propietats finals.

L’addició de ceri o magnesi a la fosa dona lloc al fet que la formació del grafit seguisca una morfologia nodular, no laminar. Aquesta estructura es denomina fosa esferoidal o fosa dúctil (fig. 33).

19. Normalment de l’1 % al 3 % en pes de Si.

Figura 33. Microestructura d’una fosa dúctil amb matriu ferrítica a 200 augments. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

La matriu de les foses esferoidals pot ser ferrítica o perlítica, en funció del tractament tèrmic aplicat. Quan es porta a terme un tractament de recuita (al voltant de 700 °C durant diverses hores) la perlita es transforma completament en ferrita.

b) Foses blanques i foses mal·leables

Són aliatges amb baix contingut en Si de manera que la grafitització és baixa, i presenten gairebé tot el C en forma de cementita. La fractura d’aquests aliatges és de color platejada i brillant, degut al baix contingut de grafit, raó per la qual es denominen foses blanques (vegeu la fig. 34).

Figura 34. Microestructures de a) una foneria blanca a 400 augments i b) del tractament tèrmic de recuita i posterior refredament a velocitats lentes. Adaptat del web: http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/y5.html (2017)