Funciones de diversos elementos en la fundición de hierro fundido con alto contenido de cromo (Cr15, Cr20 y Cr26).

El hierro fundido con alto contenido de cromo (HCCI) se utiliza ampliamente en industrias como la minería, el cemento, la metalurgia y la generación de energía debido a su excelente resistencia al desgaste, a la corrosión y a altas temperaturas. Entre los grados comunes, el Cr15, el Cr20 y el Cr26 son los más representativos, y su rendimiento está determinado en gran medida por la composición y la proporción de los elementos de aleación. Este artículo explica sistemáticamente el papel de cada elemento en el proceso de fundición, la formación de la microestructura y el rendimiento en servicio del Cr15, el Cr20 y el Cr26. hierro fundido con alto contenido de cromo, proporcionando orientación práctica para el diseño del proceso de fundición y la selección de materiales.

1. Carbono (C): El elemento clave que determina la resistencia al desgaste

El carbono es el elemento más importante en la fundición de alto cromo, con un contenido que oscila entre el 2.0 % y el 3.3 % para los grados Cr15, Cr20 y Cr26 (con una distribución prácticamente constante entre los tres). Su función principal es la formación de carburos duros, que son la principal fuente de la resistencia al desgaste del material.

En la fundición de alto cromo Cr15, el contenido de carbono suele ser del 2.4 % al 3.0 %, lo que resulta en una fracción volumétrica de carburos de aproximadamente el 25 % al 30 %. Para la Cr20, el contenido de carbono oscila entre el 2.3 % y el 3.1 %, con los carburos representando entre el 30 % y el 35 %. La Cr26, con un contenido de carbono del 2.2 % al 3.0 %, presenta la mayor fracción volumétrica de carburos (35 %-40 %) debido a su mayor contenido de cromo.

La ley de influencia del carbono es clara: a medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta la cantidad de carburos, lo que mejora significativamente la dureza y la resistencia al desgaste del material. Sin embargo, cuando el contenido de carbono supera el 3.3 %, se produce la formación de carburos reticulados o gruesos, lo que reduce drásticamente la tenacidad del hierro fundido y lo hace propenso a la fractura frágil. Es crucial combinar el carbono con el cromo: la relación Cr/C debe ser superior a 4 (especialmente para Cr26, la relación Cr/C debe ser superior a 7) para asegurar que el tipo de carburo principal sea M₇C₃ (en lugar del frágil M₃C), equilibrando así la resistencia al desgaste y la tenacidad.

2. Cromo (Cr): El elemento clave que diferencia los grados

El cromo es el elemento distintivo del hierro fundido con alto contenido de cromo, y su proporción permite diferenciar directamente los grados Cr15, Cr20 y Cr26. Sus funciones principales incluyen determinar el tipo y la cantidad de carburos, mejorar la resistencia a la corrosión y aumentar la estabilidad a altas temperaturas.

El hierro fundido Cr15, con alto contenido de cromo, contiene entre un 11 % y un 18 % de cromo. Forma principalmente carburos M₇C₃ con una pequeña cantidad de M₂₃C₆, lo que le confiere una resistencia moderada al desgaste y a la corrosión, pero una mayor tenacidad en comparación con los grados con mayor contenido de cromo. El Cr20 (entre un 18 % y un 23 % de cromo) presenta una proporción mayor y más estable de carburos M₇C₃, lo que resulta en una resistencia al desgaste y a la corrosión significativamente superior a la del Cr15, logrando así un equilibrio óptimo entre rendimiento y coste.

El hierro fundido Cr26 con alto contenido de cromo (23 %-30 % de cromo) presenta la mayor fracción volumétrica de carburos M₇C₃ (≥35 %), lo que le confiere una resistencia superior al desgaste por alta tensión, a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas. Sin embargo, cuando el contenido de cromo supera el 25 %, es propenso a la formación de fases frágiles como M₆C y M₂₃C₆, lo que reduce la tenacidad y dificulta la fundición.

Una característica común del cromo en los tres grados es que se disuelve en la matriz para formar una película pasiva de Cr₂O₃, lo que mejora eficazmente la resistencia a la corrosión y a la oxidación del material.

3. Silicio (Si): Un elemento auxiliar para la desoxidación y el refinamiento

El silicio se añade como elemento auxiliar en la fundición de alto cromo, con un contenido estrictamente controlado de ≤1.2% para los tres grados (Cr15, Cr20, Cr26). Sus funciones principales son las siguientes:

• Desoxidación: El silicio puede reducir eficazmente la pérdida por oxidación del cromo, el manganeso y otros elementos de aleación durante el proceso de fundición, garantizando la estabilidad de la composición de la aleación.
• Refinamiento de los carburos: Reduce la región de dos fases sólido-líquido durante la solidificación, lo que hace que los carburos sean más finos y estén más dispersos, mejorando así la uniformidad de la microestructura.
• Refuerzo por solución sólida: El silicio se disuelve en la matriz para mejorar la resistencia y el límite elástico del material.

Cabe destacar que cuando el contenido de silicio supera el 2%, se produce la precipitación de grafito, lo que reduce significativamente la dureza y la resistencia al desgaste del hierro fundido. Por lo tanto, es fundamental un control estricto del contenido de silicio (≤1.2%) en la fundición.

4. Manganeso (Mn): Mejora de la templabilidad y la uniformidad de la microestructura.

El manganeso se suele añadir en un rango de 0.5 % a 1.0 % (máximo ≤2.0 %) para el hierro fundido con alto contenido de cromo Cr15, Cr20 y Cr26. Sus funciones principales incluyen:

• Estabilizar la austenita y reducir el punto Ms, lo que disminuye la formación de perlita y mejora la templabilidad del material.
• El fortalecimiento por solución sólida y el refinamiento de las dendritas dan como resultado una microestructura más uniforme y mejoran el rendimiento general.
• Favorece la precipitación de carburos secundarios durante el tratamiento térmico, mejorando aún más la dureza y la resistencia al desgaste del material.

Un exceso de manganeso (superior al 1.5 %) conlleva una cantidad excesiva de austenita retenida, lo que provoca inestabilidad en la dureza y alteraciones dimensionales de las piezas fundidas. Por lo tanto, es fundamental controlar adecuadamente el contenido de manganeso.

5. Molibdeno (Mo): Mejora de la templabilidad y la tenacidad.

El molibdeno es un elemento de aleación importante para fortalecer y endurecer el hierro fundido con alto contenido de cromo, con un rango de contenido común de 0.5 % a 1.5 % para Cr15 y Cr20, y de 1.0 % a 2.0 % para Cr26. Sus funciones principales son:

• Mejora notablemente la templabilidad, garantizando que incluso las piezas fundidas de gran sección puedan obtener una estructura de martensita o bainita de sección completa, evitando la formación de perlita blanda.
• Refinar el tamaño de los granos e inhibir la formación de carburos en red, mejorando así la tenacidad y la resistencia al agrietamiento del material.
• Al lograr el fortalecimiento por solución sólida y precipitación, se aumenta la dureza de la matriz a HRC 50-60, lo que puede soportar eficazmente los carburos y reducir el desprendimiento de los mismos durante su uso.
• Mejora la estabilidad a altas temperaturas, aumenta la resistencia al reblandecimiento por temple y la dureza en caliente (a 500–600 ℃), lo que hace que el material sea adecuado para condiciones de trabajo a altas temperaturas.

En el caso del hierro fundido Cr26 con alto contenido de cromo, se utiliza un mayor contenido de molibdeno (1.0 %-2.0 %) para compensar la disminución de la templabilidad y la tenacidad causada por el alto contenido de cromo.

6. Níquel (Ni): Estabiliza la austenita y mejora la tenacidad.

El níquel se suele añadir en un rango de 0.5% a 1.5% para Cr15 y Cr20, y de 0.8% a 1.8% para Cr26. Sus funciones principales son:

• Actúa como un potente estabilizador de la austenita, expandiendo la región de la fase γ, mejorando la templabilidad e inhibiendo la formación de perlita.
• Mejora la tenacidad a bajas temperaturas y reduce la temperatura de transición a la fragilidad en frío, lo que hace que el material sea adecuado para entornos de trabajo a bajas temperaturas.
• Sinergia con el molibdeno: el molibdeno mejora la templabilidad, mientras que el níquel estabiliza la austenita, lo que da como resultado una estructura uniforme y una alta tenacidad para piezas fundidas gruesas y grandes.

Un exceso de níquel conlleva una cantidad excesiva de austenita retenida, lo que resulta en una baja dureza del material. Por lo tanto, el contenido de níquel debe controlarse dentro de un rango razonable.

7. Cobre (Cu): Refuerzo auxiliar y resistencia a la corrosión.

El cobre es un elemento de aleación auxiliar con un contenido de ≤2.0% en el hierro fundido con alto contenido de cromo. Sus funciones principales son:

• La solución sólida refuerza la matriz, mejorando la resistencia y la dureza del material.
• Estabiliza la austenita y ayuda a mejorar la templabilidad (más débil que el níquel).
• Mejora la resistencia a la corrosión, especialmente en ácidos diluidos y en ambientes de corrosión atmosférica.
• Mejora ligeramente la maquinabilidad del material.

8. Azufre (S) y fósforo (P): Elementos nocivos estrictamente controlados

El azufre y el fósforo son impurezas nocivas en el hierro fundido con alto contenido de cromo, y sus contenidos deben controlarse estrictamente: azufre ≤0.06 % y fósforo ≤0.10 % para Cr15, Cr20 y Cr26.

El azufre forma inclusiones de bajo punto de fusión, como el MnS, que provocan fragilización de los límites de grano, agrietamiento en caliente y menor tenacidad al impacto. El fósforo forma compuestos frágiles, como el Fe₃P, que aumentan la fragilidad a bajas temperaturas y la tendencia al agrietamiento en frío durante la fundición. Un control estricto del contenido de azufre y fósforo es esencial para garantizar la fiabilidad de la fundición y el rendimiento en servicio del hierro fundido con alto contenido de cromo.

9. Comparación del diseño de elementos para Cr15, Cr20 y Cr26

10. Conclusión y puntos clave del casting

El rendimiento de la fundición de alto cromo Cr15, Cr20 y Cr26 está determinado conjuntamente por la interacción de diversos elementos de aleación. El carbono y el cromo son los elementos clave que determinan la cantidad, el tipo y la resistencia al desgaste de los carburos: a mayor contenido de cromo, mayor resistencia al desgaste, pero menor tenacidad y mayor dificultad de fundición. El molibdeno y el níquel forman una combinación fundamental de endurecimiento y tenacidad: el molibdeno mejora la templabilidad y el refinamiento del grano, mientras que el níquel estabiliza la austenita y aumenta la tenacidad.

El silicio y el manganeso deben controlarse a niveles bajos para asegurar la desoxidación y el fortalecimiento, evitando la precipitación de grafito y la austenita retenida excesiva. El azufre y el fósforo deben controlarse estrictamente para prevenir el agrietamiento en caliente, la fragilidad en frío y la fragilización de los límites de grano. En cuanto a la selección de materiales: Cr15 es rentable y posee buena tenacidad, siendo adecuado para piezas de desgaste general; Cr20 logra el mejor equilibrio entre resistencia al desgaste y tenacidad, siendo el grado general más común; Cr26 ofrece una resistencia extrema al desgaste, resistencia a la corrosión y un buen rendimiento a altas temperaturas, pero a costa de una mayor fragilidad, dificultad de fundición y costo.

Mediante un diseño adecuado de la composición de la aleación y la optimización del proceso de fundición, se puede aprovechar al máximo el potencial de rendimiento del hierro fundido con alto contenido de cromo Cr15, Cr20 y Cr26, satisfaciendo así las exigencias de diferentes condiciones de trabajo industriales.