RECUPERACION DE PIEZAS DE HIERRO FUNDIDO

SMAW Ing Rodrigo Cariz

Objetivos ! Proporcionar conocimientos tericos acerca

de los Hierro Fundidos. ! Sealar los materiales de aporte adecuados

para soldar los Hierros Fundidos mediante el proceso SMAW (proceso de soldadura mas usado).

! Brindar las diferentes herramientas, procedimientos y tcnicas, para lograr el xito en la soldadura de los Hierro Fundidos soldables.

! Mostrar casos reales de Hierros Fundidos soldados exitosamente.

Introduccin ! Industrialmente en el mundo 6 de cada 10 piezas

fundidas son de Hierro Fundido. ! En USA la produccin de Hierro Fundido Gris y

Nodular es de 8 a 10 millones de toneladas anualmente (a).

! En Alemania la produccin de Hierro Fundido Gris y Nodular / Maleable es de 0.4 a 0.6 millones de toneladas anualmente (b).

! Siendo en ambos casos entre el 70 a 86% de las aleaciones fabricadas, Hierro Fundido Gris .

(a): Weding Handbook 4 Cast Iron (b): Cesol - Espaa

Introduccin

! Uno de los factores que contribuye a la d i f i c u l t a d d e l a so ldab i l i dad de l Hierro Fundido Gris es la carencia de una zona dc t i l plstica, como si la poseen los aceros.

Por qu Requerimientos soldar Hierros Fundidos?

1. Reparar y Resanar los defectos de fundicin. 2. Reparar los daos ocasionados durante el

servicio. 3. Reconstruccin de zonas desgastadas durante

el trabajo. 4. Fabricacin de piezas complejas a partir de

formas fundidas simples (factor de economa). 5. Requerimientos de unir los Hierro Fundidos con

otros materiales (uniones dismiles).

Definicin

! Aleacin de Fe con alto porcentaje de C y Si. ! Los Hierros Fundidos comerciales contienen

adems Mn, S y P. ! En funcin de sus requerimientos se les

agrega elementos aleantes como Ni, Cr, Cu, Mo, Sn, Sb y V.

! En su microestructura aparece: Perlita, Ferrita, Bainita, Cementita, Martensita y/o Grafito.

Diagrama Fe C Acero vs Hierro Fundido

Caractersticas ! Punto de fusin: 1150 C. ! Posee baja ductilidad (poca capacidad

de deformarse plsticamente - baja elongacin).

! Bastante poroso. ! Alta resistencia a la compresin. ! Capacidad de absorber vibraciones. ! Buena resistencia al desgaste friccin

metal metal. ! Buena resistencia a la corrosin.

Enfriamiento Rpido

Tipo

de

H.F

.

H.F. Lquido (Fe C)

Baja Alta Media

Grafitizacin

H.F Blanco

H.F. Maleable

H.F. Moteado

H.F. Nodular

H.F. Gris

+ Grafito

+ Mg + Ce

+ Recocido

+ Fe3C + Fe3C + Grafito

Enfriamiento Lento

Hierro Fundido

H.F. Grafito Compacto

Tipos de Hierros Fundidos TIPO ASTM

Composicin % C Si Mn S P Otros

Blanco ... 1.8-3.6 0.5-1.9 0.25-0.8 0.06-0.20 0.06-0.18 ...

Gris A 48, A 159, A 278, A 319 2.5-4.0 1.0-3.0 0.25-1.00 0.02-0.25 0.05-1.0 ...

Maleable A 47, A 197, A 220, A 338, A 602 2.0-2.6 1.1-1.6 0.20-1.0 0.04-0.18 0.18 mx. ...

Nodular A 536, A 395, A 476 3.2-4.0 1.8-2.8 0.10-0.8 0.03 mx. 0.10 mx. 0.030 Mg

De grafito compacto ... 3.5 2.0-3.0 0.20-0.40 ... 0.05 mx. 0.015 Mg, 0-1.5 Cu

Blanco de alto cromo A 532 2.3-3.6 0.8-1.0 0.5-1.5 0.06 0.10 1.4-28.0 Cr, 1.5-7.0 Ni, 0.5-3.5 Mo

Gris austentico A 436 3.0 1.00-2.8 0.5-1.5 0.12 mx. ... 28-32 Ni, 1.5- 6.0 Cr, 0.50-7.5 Cu Alto silicio A 518 0.7-1.1 14.2-14.8 1.5 ... ... 0.5 Cr, 0.5 Mo, 0.5 Cu

Dctil austentico A 439, A 571 2.4-3.0 1.0-6.00 0.70-2.5 ... 0.08 18.0-36.0 Ni, 0.20-5.5 Cr

Hierro Fundido Gris ! Es el ms usado en la industria. ! La fractura es rugosa y de color gris. ! Se obtiene por enfriamiento lento. ! El carbono precipita en forma de grafito

libre laminar. ! Resistente la desgaste fricional. ! Amortigua las vibraciones:

! Aplicaciones: engranajes, tambor de freno, bancadas, forro de cilindros, cigueales, tambores de freno, monoblocks, etc.

100x Fierro Fundido Acero

Hierro Fundido Blanco ! Su fractura presenta un color blanco. ! El Carbono se encuentra formando Fe3C

(carburo de hierro) y su dureza es de 350 a 550 HB.

! Excelente resistencia a la abrasin. ! Se produce por un enfriamiento rpido. ! El hierro fundido blanco es INSOLDABLE

(no se suelda). ! Aplicaciones: carcazas de bombas,

impulsores de bombas, placas de molino pulverizador, molino de tambor, etc.

100x

Hierro Fundido Maleable ! Se obtiene a partir del H.F. Blanco al aplicarle

un T.T. de Recocido (850 a 950 C), con el objetivo de descomponer la cementita, quedando el C libre en forma de nodulos irregulares.

! Existen dos tipos: Americano de corazn negro (atmsfera reductora) y Europeo de corazn blanco (atmsfera oxidante, difcil de soldar).

! Aplicaciones: cigeal, arboles de leva, eslabones de cadena, llaves inglesas, tijeras, armamentos, etc.

500x

100x

500x

100x

! El grafito aparece en forma esferoidal (nodular). ! Se obtiene agregando Mg (elemento formador

de ndulos 0.05%) a la fundicin gris. ! Dentro de la H.F. es la que posee la mas

elevada resistencia a la traccin y mayor ductilidad.

! Su maquinibilidad es superior a la del H.F. Gris. ! Mejor resistencia al desgaste friccional que los

aceros (reservorio para almacenar lubricante). ! Mayor resistencia al agrietamiento trmico. ! Aplicaciones: carcaza de motores, poleas,

rodillos de laminacin, jaulas de montacargas, puertas de hornos, pistones, culatas, etc.

Hierro Fundido Nodular

Tcnica de Soldeo

Pasos a seguir

1

IDENTIFICACION DEL METAL BASE

2 SELECCIN DEL PROCESO DE SOLDADURA

3

SELECCIN DEL MATERIAL DE APORTE

4 TECNICA DE SOLDADURA

METAL BASE

MAQUINA DE SOLDAR

Identificacin del Material Base

! Tipo de Hierro Fundido. ! Composicin Qumica. ! Estructura. ! Propiedades Mecnicas. ! Soldabilidad.

Microestructura y Propiedades Mecnicas de los Hierros

Fundidos

! Depende de: l Composicin qumica l Velocidad de

enfriamiento l Tratamiento trmico

Aspectos que Influyen en la Soldabilidad de los Hierros

Fundidos ! Composicin Qumica. ! Microestructura. ! El alto contenido de impurezas. ! Eleccin adecuada del material de aporte ! La aplicacin de un procedimiento

adecuado.

Seleccin del Material de Aporte

! Costo del Material de Aporte. ! Resistencia (diseo). ! Tolerancia a la dilucin con metal base. ! Maquinabilidad. ! Tolerancia a la alta velocidad de enfriamiento. ! Soldeo con bajo calor aportado. ! Color adecuado. ! Polaridad. ! Ductilidad para absorber tensiones de contraccin. ! Inhibidor de la formacin de Cementita.

PROCESO / MATERIAL DE APORTE

AWS OERLIKON SEMEJANZA DE COLOR

MAQUINADO TIPO DE REVESTIMIENTO/ GAS

SMAW Ni 100% E Ni CI CITOFONTE BASICO Ni Fe E Ni Fe CI EXSANIQUEL BASICO Ni Fe E Ni Fe CI -

MALA BUENO

SINTETICO ACERO AL CARBONO

E St FERROCORD U ACEPTABLE MALO BASICO

BRONCE Al E Cu Al A2 CITOBRONCE Al BASICO BRONCE Sn

E Cu Sn C CITOBRONCE II MALA BUENO

BASICO

SOLDADURA OXIACETILENICA CuZn RB CuZn A EXSA 210 MALA BUENO NEUTRA SOLDADURA MIG ACERO AL CARBONO

ER 70S - 6 CARBOFIL PS 6

ACEPTABLE MALO Ar + CO2

BRONCE Al ER CuNiMnAl

EXSAFIL 746 MALA BUENO Ar

Materiales de Aporte para Hierros Fundidos

Soldadura Manual con Electrodo Revestido - SMAW

ELECTRODOS DE ACERO AL CARBONO E St: FERROCORD U ELECTRODOS BASE A NIQUEL

E Ni CI: CITOFONTE (Ni 100%) E NiFe - CI: EXSANIQUEL Fe (N 55%) ELECTRODOS BASE COBRE E CuSn-C CITOBRONCE II E Cu Al- A2 CITOBRONCE Al

Ventajas de Soldar con Electrodo de ACERO E St

! El electrodo E St esta diseado para soldar con arco suave y bajos amperajes.

! MINIMA PENETRACION Y BAJA DILUCION. ! El uso de este electrodo requiere necesariamente una T

Precalentamiento de 300C ! Su aplicacin esta definida para pequeas reparaciones y

como base (enmantequillado) para luego colocar una aleacin rica en Nquel.

! Se recomienda usar donde se haya previsto la tcnica de esprragos.

! Necesariamente se debe usar una secuencia de soleo adecuada y un alivio de tensiones con martilleos.

! Su depsito es no maquinable.

Ventajas de Soldar con Electrodo Base Nquel

! El Nquel al contrario del hierro, no forma carburos y tiene una solubilidad baja respecto al carbono.

! EL CARBONO NO PRECIPITA EN FASES DURAS SINO EN FORMA DE GRAFITO, LOGRANDO MEJORAR LA MAQUINABILIDAD (Ni es un inhibidor de la formacin de la cementita).

! El metal depositado bajo estas condiciones tiene alta ductilidad.

E Ni - CI : CITOFONTE E Ni Fe - CI : EXSANIQUEL

E Ni CI: CITOFONTE ! 100% de Nquel ! Recomendados para soldaduras dctiles de unin,

reparacin y reconstruccin en fundicin gris, maleable y nodular, entre si o con otros metales.

! Depsito de soldadura altamente elstico. ! Ideal para la unin de Acero con H.F. ! Para soldaduras en fro o caliente ! Garantiza mxima calidad de juntas en piezas livianas,

paredes delgadas, cuando las tensiones de contraccin no son elevadas cuando el contenido de fsforo es menor de 0,20%.

! Es el producto que tiene menos limitaciones cuando las superficies a soldar estn oxidadas han perdido elementos de aleacin por efecto de la temperatura.

Fases y Microestructuras en una Tpica Soldadura de Hierro Fundido

ROMPE ESPONTANEAMENTE?

ROMPE?

SI

NO

NO

SOLDABLE

SI

SI ROTURA EN EL CENTRO DEL FILETE

NO

RELATIVAMENTE SOLDABLE

INSOLDABLE

Prueba del Martillo Soldabilidad Del Hierro Fundido

ROMPE?

SI

NO

Carbono Equivalente para Hierros Fundidos

CE = %C + 0,31 %Si + 0,33 %P + 0,45 %S - 0,028%Mn + %Mo + %Cr + 0,02%N - 0,01%Cu

SEGN AMERICAN WELDING SOCIETY D11.2

! Existe una relacin entre el CE y la Te m p e r a t u r a s i n G r i e t a s ( m n i m a temperatura a la cual debe encontrarse la fundicin para que no se produscan grietas).

% Tipo C Mn P S Si Ni Cr Mo Cu Mg CE

FIERRO FUNDIDO GRIS G1 3,25 0,58 0,017 0.062 1,71 0,22 0,08 0,34 0,09 - 4,226 G2 2,53 0,99 0,019 0,064 1,61 0,03 0,11 0,35 0,74 - 3,488 G3 2,62 1,00 0,022 0,066 1,66 0,03 0,11 0,02 0,04 - 3,273 G4 3,48 1,00 0,043 0,093 1,78 0,49 0,17 0,03 0,17 - 4,248

FIERRO FUNDIDO NODULAR D1 3,60 0,29 0,029 0,016 2,31 0,05 0,04 0,01 0,88 0,026 4,365 D2 3,67 0,29 0,028 0,006 2,30 0,06 0,04 0,20 1,32 0,022 4,582 D3 3,63 0,28 0,027 0,005 2,23 0,05 0,04 0,01 0,96 0,023 4,363 D4 3,61 0,43 0,030 0,014 2,37 0,88 0,10 0,03 0,10 0,025 4,359

FIERRO MALEABLE M1 2,42 0,73 0,015 0,030 1,54 0,04 0,05 0,10 - 2,954 M2 2,38 0,59 0,015 0,031 1,54 0,04 0,05 0,08 - 2,917 M3 2,21 0,94 0,027 0,050 1,51 0,05 0,03 - - 2,723 M4 2,30 0,87 0,025 0,048 1,52 0,05 0,03

0,01

- - 2,816

Composicin Qumica Tpica y Carbono Equivalente

Precalentamiento vs CE Relacion de temperatura de no crack y carbono

equivalente para Fierros Fundidos

0

50

100

150

200

250

300

350

2.5 3 3.5 4 4.5 5

C.E.

Tem

pera

tura

de

no c

rack

D2

D4

D3

D1

G3

G2

G1

G4

M4

M3

M2 M1

TIPO GRADOG1 GRIS 40G2 GRIS 50G3 GRIS 45G4 GRIS 35D1 DUCTIL 80-55-06D2 DUCTIL 100-70-03D3 DUCTIL 120-90-02D4 DUCTIL 65-45-12M1 MALEABLE 50005M2 MALEABLE 32510M3 MALEABLE M5503M4 MALEABLE M5003

FIERROLEYENDA

ESPECIMEN No

CE = (C+0.31Si+0.33P+0.45S-0.028Mn+Mo+Cr-0.02Ni-0.01Cu)

TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO DEBAJO DE 38 C

Preparacin de las Piezas. ! Es fundamental la limpieza de la superficie ! Si las piezas han estado en contacto con aceite, grasas, agua

de mar durante largo tiempo, es recomendable calentarla durante 1/2 hora a unos 400 c

! Se debe eliminar la capa de oxido de la fundicin capa alta en silicio, en toda el rea a soldar.

! Para reparar un defecto es necesario sanear toda el rea afectada.

! En caso de usar electrodos para ranurar es necesario precalentar localmente a 300 c y agujerar el final de la grieta

! La preparacin de los chaflanes son de mayor ngulo que en las soldaduras de acero, oscilando entre 60 a 90.

Tratamiento Especial de las Fisuras

Enmantequillado para Prevenir Fisuramiento en

el Metal Base

Espichado o Empernado

! L o s p e r n o s s o n roscados o puestos en el interior de la unin y deben ser hechos de un material compatible con el metal de aporte a emplearse.

Reduccin de las Tensiones Internas - Paso Peregrino

Alivio de Tensiones Mecnico ! Golpes moderados perpendiculares a la

superficie soldada, con un martillo de bola o cincel punta roma.

Secuencia de Soldeo en Bloque y Cascada

! La Secuencia en Bloque reduce las tensiones internas longitudinales pero no min im iza las tens iones internas transversales.

! La Secuencia en Cascada min im iza las tens iones internas longitudinales y transversales. Adicionalmente realiza un revenido de los cordones de so ldadura previos.

Tratamiento Post Soldadura Esto puede cumplirse realizando algunas actividades:

! Enterrando completamente la fundicin en arena o refractarios.

! Calentando la fundicin luego de la soldadura con una antorcha.

! Colocando la fundicin en un horno. ! Cubriendo la fundicin con una manta aislante.

Ventajas Un tratamiento trmico Post-Soldadura tendra algunos beneficios como:

! Aumentar la ductilidad del ZAC. ! Mejora la maquinabilidad de la soldadura y

la ZAC. ! Trasforma la micro-estructura martenstica

formada durante la soldadura a una fase menos frgil.

! Elimina los esfuerzos residuales en la soldadura.

Reparacin de una Tapa De Molino

de Hierro Fundido

Procedimiento de Soldadura bIDENTIFICACION DEL MATERIAL BASE.

TIPO DE FIERRO FUNDIDO/DEFINIR SOLDABILIDAD

bIDENTIFICACION DEL TIPO DE FISURA. UBICACIN / FORMA DE LA FISURA

bDEFINIR TIPO DE REGIMEN DE SOLDADURA SOLDADURA EN FRIO / SOLDADURA EN CALIENTE DEFINIR TPRECALENTAMIENTO SI ES NECESARIO

bELECCION DEL PROCESO Y METAL DE APORTE. PARAMETROS DE OPERACIN.

bPREPARACION DEL MATERIAL BASE A SOLDAR LIMPIEZA / BISELADO / INSPECCION VISUAL

bDEFINIR LA SECUENCIA DE LOS DEPOSITOS EN FUNCION DE LA TEMPERATURA DE INTREPASE

............PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

bDEFINIR LAS TECNICAS DE MINIMA DILUCION bSUPERVISION ESPECIALIZADA.

ESTA DEBE SER CONTINUA Y DEDICADA, ASI COMO DEBE ESTAR CONVENCIDA QUE EL PROCEDIMIENTO ES EL CORRECTO

bDETERMINACION DE LOS SOLDADORES Y DETERMINAR LOS TURNOS

ENTRENAMIENTO DE SOLDADORES CON CRITERIOS ANTERIORES.

bCONTROL CONTINUO DE LA TEMPERATURA DE INTERPASE

bCONTROL CONTINUO DE LOS DEPOSITOS EXCENTOS DE FISURAS MICROFISURAS.

LIQUIDOS PENETRANTES bT FINAL DE POST - CALENTAMIENTO bENFRIAMIENTO FINAL CONTROLADO.

TRABAJOS PRELIMINARES PARA IDENTIFICAR EL

MATERIAL BASE

UBICACIN DE FISURAS

SOLDADURA EN POSICION HORIZONTAL

ZONA DE LA FISURA DONDE SE EXTRAE MUESTRAS PARA

ANALISIS QUIMICO

Criterios para Definir Regimen de Soldadura

SOLDADURA EN FRIO bPIEZAS DE GRAN

TAMAO bFIERROS FUNDIDO

CON CARBONO EQUIVALENTE ALTO (TPREC. ALTO)

bMATERIALES NO CONTAMINADOS

SOLDADURA CON PRECALENTAMIENTO

bPIEZAS PEQUEAS bPIEZAS DE FeFdo.

CON T PREC. BAJO bMATERIALES

CONTAMINADOS

Temperatura de Precalentamiento

Preparacin del Material Base

LIMPIEZA: USO DE T

CHAFLANADO: ELECTRODODE

CARBON

ESMERILADO: LIMPIEZA FINAL

Eliminacion de la Fisura Y

Acondicionamiento antes de Soldar

Fisura profunda:

Eliminacin TOTAL de todo vestigio de fisuras

ACONDICIONAMIENTO TIPO ESPICHADO PARA MEJOR AGARRE DE LA SOLDADURA

Inicio Del Proceso De Soldadura En Frio

T Precalentamiento ??

TECNICAS DE MINIMA DILUCION 1. Cordones cortos sin oscilacin

2. Amperajes mnimos 3. Velocidad de avance apropiadas

4. Empleo de electrodos de fusin rpida y baja penetracin. 5. Altura de arco apropiada

SOLDADOR ESPERA QUE BAJE LA

TEMPERATURA PARA CONTINUAR SOLDANDO

SUPERVISION CONTINUA CONTROL DE TEMPERATURA

INSPECCION VISUAL DE FISURAS

ETAPA FINAL DEL SOLDEO FALTA SOLO 1 TURNO

DE 8 HORAS

FIN DEL PROCESO DE SOLDEO

Recuperacin de Masas de Trapiches

Reparacin de Sistema de Traslado de un Torno Vertical

Conclusiones ! IDENTIFICACION del tipo de hierro fundido. ! Seleccionar el proceso a utilizar. ! Seleccionar el material de aporte (electrodos de

Nquel CITOFONTE). ! Disear el procedimiento de soldadura. ! Eliminacin completa de la fisura y preparacin

de la junta ! Rgimen de soldadura ! Entrenamiento ! Supervisin

EXSA S.A

DIVISION SOLDADURAS