1.4.19 Arrastre de óxido líquido (control de la forma de la inclusión)

En el caso de los metales de bajo punto de fusión, como las aleaciones a base de cobre e inferiores, el óxido de la superficie es invariablemente sólido, por lo que cualquier turbulencia de la superficie resulta en el arrastre de bifilms y burbujas. Estas aleaciones de bajo punto de fusión basadas en Mg, Al y Cu (especialmente las aleaciones como el bronce de aluminio) se ven seriamente perjudicadas por los bifilms arrastrados por sistemas de llenado deficientes.

Si el óxido superficial en el metal líquido es un líquido, entonces el choque o el plegado de la superficie del líquido dará lugar a un contacto de óxido líquido con óxido líquido, de modo que las interfaces líquidas que chocan se coalescerán, volviéndose a formar rápidamente en gotas de óxido líquido para reducir la energía superficial. Las gotas más grandes saldrán flotando rápidamente del metal. El metal se beneficia considerablemente porque ahora sólo contiene inclusiones esféricas relativamente inofensivas que eran demasiado pequeñas para salir a flote a tiempo. La licuación del óxido superficial mediante la aleación del metal o, en el caso de los aceros, el uso de técnicas específicas de desoxidación, es por tanto un mecanismo de gran importancia para la reducción de los bifilamentos en los metales. Los metalúrgicos lo llaman con orgullo «control de la forma de inclusión». El orgullo está justificado, aunque el mayor efecto radica en evitar los bifilmes, algo que, por supuesto, no se conocía. Si esto también se hubiera realizado, ¡la justificación del orgullo debería haberse duplicado!

Las inclusiones esféricas podrían ser completamente «inofensivas» en el acero, en el sentido de que no se espera que sufran fractura o inicien la descohesión de la matriz. Sin embargo, si se han originado a partir de un evento de arrastre que también arrastró algo de aire, las pequeñas cantidades de oxígeno y nitrógeno habrán sido rápidamente absorbidas por la inclusión, o incluso disueltas en la matriz, pero el 1% de argón residual habrá permanecido como parte de la inclusión. Este volumen gaseoso contribuirá a reducir la energía de formación de un fallo de volumen, como una grieta o una decohesión. Por lo tanto, la inclusión esférica puede no ser siempre totalmente «inofensiva»

Los aceros son complicados. Sus altos puntos de fusión, generalmente en la región de 1500 C, significan que algunos óxidos seguirán siendo sólidos, creando problemas de bifilms, mientras que otros estarán por encima de sus puntos de fusión, evitando así en gran medida los bifilms. Además, los aceros suelen tener que ser desoxidados antes de ser fundidos. Este proceso es necesario para evitar que el exceso de oxígeno en la solución reaccione con el carbono del acero y forme monóxido de carbono, CO, creando así porosidad o, en un caso grave, que el acero «hierva» durante la congelación. (Algunos de nosotros, antiguos ingenieros metalúrgicos, recordamos con cariño los espectaculares espectáculos pirotécnicos que se producían los días en el taller siderúrgico cuando se fundían los aceros de rebase.)

Como hemos señalado anteriormente, en el caso simple de la desoxidación de muchos aceros al carbono y aceros de baja aleación, el aluminio se utiliza como un desoxidante muy eficaz. Sin embargo, después del tratamiento de desoxidación, queda algún exceso de Al, que ahora está disponible para reaccionar con el aire durante la fundición – un proceso conocido como «reoxidación.» El punto de fusión muy alto de la alúmina de óxido de aluminio (2050 C) asegura que se producirá un óxido sólido que formará bifilamentos durante el vertido del acero a través del aire, aunque el acero sólo contenga aproximadamente un 0,05% de Al o menos.

Sin embargo, si se utiliza una mezcla de aproximadamente 50% de aluminio y 50% de calcio para la desoxidación, el óxido mixto (alúmina y calcia) tiene un punto de fusión de sólo unos 1400 C. El arrastre de este óxido líquido no da lugar a bifilms, sino a películas líquidas que se esferizan rápidamente en gotas que tienden a flotar. Al llegar a la superficie superior de la colada, las gotitas simplemente se asimilan a la capa de óxido líquido superficial y desaparecen. Este es el mecanismo por el que los aceros finalmente desoxidados con Ca + Al alcanzan niveles de limpieza tan elevados en comparación con los aceros desoxidados con los habituales Si, Mn y Al.

La acción beneficiosa de la desoxidación con Ca para formar un eutéctico con CaO de bajo punto de fusión se produce con otros óxidos, probablemente el más importante con Cr2O3 como en casi todos los aceros inoxidables y aleaciones de Ni de alta temperatura.

La adición de boro (B) a los aceros es otra técnica valiosa para licuar la película de óxido superficial del acero. En este caso se forma un borato con un punto de fusión sorprendentemente bajo, cercano a los 1000 C, dependiendo de su composición, que probablemente varía con el acero. Sólo se necesitan niveles muy bajos, normalmente de 0,002 a 0,005, para lograr esta inmensa reducción del punto de fusión del óxido. Los aceros al boro destacan por su resistencia y dureza, que deben derivar de su afortunada ausencia de bifilamentos.

El acero al manganeso Hadfield (Fe-13Mn) es otro acero extraordinario, famoso por su dureza. Se utiliza en aplicaciones tan duras como las agujas y cruces de ferrocarril. Los fallos en servicio parecen prácticamente desconocidos. El óxido de Mn MnO2 es líquido a las temperaturas de fundición, lo que impide la formación de grietas bifilares.

Los aceros TWIP (plasticidad inducida por la transformación) más recientes que contienen más del 50% de Mn, a pesar de su contenido de unos pocos porcentajes de Al, suelen disfrutar de una elongación del 100%, a lo que probablemente contribuye, al menos en parte, la ausencia de bifilares. Los aceros ligeros Fe-30Mn-9Al siguen presentando alargamientos elevados, aunque a medida que disminuye el Mn y aumenta el Al los alargamientos disminuyen; quizás debido a la introducción de bifilamentos de alúmina en alguna proporción crítica…

Hay que tener en cuenta que los tratamientos de adiciones menores a los aceros (Ca y B, por ejemplo) son vulnerables. En el caso de condiciones de colada especialmente turbulentas, la adición puede consumirse, efectivamente abrumada por el arrastre de aire, lo que resulta en una sobrecarga de formación de óxido y una pérdida del beneficio de licuefacción en alguna etapa durante el vertido. Por lo tanto, un lingote vertido por encima (¡qué horror!) requeriría una adición de Ca o B más alta que un lingote vertido por contacto o un producto de colada continua. No se espera que los aceros de alto Mn sufran esta desventaja durante el vertido, ya que tienen un suministro infinito de Mn.

Las aleaciones basadas en el níquel, especialmente las llamadas superaleaciones que contienen Al y Cr (entre otras muchas adiciones) son complicadas desde el punto de vista de su óxido durante la fusión y el vertido. Los óxidos de Al y Cr suelen ser sólidos en los puntos de fusión de la mayoría de las aleaciones a base de Ni, como resultado de que las aleaciones de Ni tienen un punto de fusión más bajo que la mayoría de los aceros. Su punto de fusión más bajo significa que la mezcla de Al + Ca es ahora tan marginal en su efecto que no se puede asegurar que sea efectiva. Por ello, las aleaciones de Ni fundidas al aire suelen sufrir mucho, con el resultado de que es habitual que se produzcan grietas durante el forjado posterior. Incluso cuando se funden y funden en el vacío, el agrietamiento en la forja proporciona una buena prueba para confirmar que hay bifilamentos; las superaleaciones de Ni fundidas en el vacío se benefician en gran medida de las técnicas de fundición sin turbulencias.

El lector debe tomar nota especialmente de la lógica metalúrgica imposible que implica el fenómeno de las grietas presentes en aleaciones que, por lo demás, son conocidas por su excepcional ductilidad. Las aleaciones a base de Ni son dúctiles y, por tanto, no deberían fallar por agrietamiento. Además, por supuesto, durante la solidificación las aleaciones sólo están sometidas a tensiones relativamente menores, órdenes de magnitud inferiores a las tensiones que podrían causar grietas. Sólo la presencia de bifilms debido a la práctica de la fundición turbulenta puede explicar el comportamiento de agrietamiento de las aleaciones de Ni. Las Figs. 1.57 y 1.58 ilustran las sorprendentes grietas que resultan de una práctica de colada pobre y turbulenta, en una aleación que, de otro modo, nunca debería agrietarse, y que debería alcanzar una reducción de área cercana al 100% en un ensayo de tracción.

Figura 1.57. Dos vistas de un Hastelloy mal fundido al aire que muestra grietas profundas a pesar de su alta ductilidad claramente ilustrada por el borde torneado de la matriz mecanizada. (El Hastelloy correctamente fundido está, por supuesto, libre de grietas.)

Figura 1.58. Una pieza de ensayo de tracción fallida en una aleación de base Ni altamente dúctil CY40, lamentablemente llena de grietas como resultado de una mala técnica de fundición.

Pasando de los aceros y las aleaciones de Ni, los hierros grises de fundición son un caso excepcionalmente interesante y complicado.

El hierro gris líquido está limpio de película de óxido durante la fusión a temperaturas en el rango de 1550 hasta alrededor de 1450 C (la temperatura precisa parece depender de la composición del hierro). Esto se debe a la reducción preferente de los óxidos de Si y Mn por el carbono a estas temperaturas. La superficie líquida tiene una claridad de espejo mágica y perfecta que no es fácil de describir.

Por debajo de esta temperatura se forma una película opaca y gris de sílice sólida (SiO2). A medida que la temperatura sigue bajando, llegando finalmente a unos 1300 C, la oxidación del Mn en el hierro conduce a una cierta mezcla de MnO2 en el óxido de la superficie, lo que provoca su fusión. A una temperatura inferior a 1200 C, el óxido adicional, FeO, reducirá aún más el punto de fusión del óxido. Este complejo silicato líquido es una de las razones de la excelente colabilidad de la fundición gris, y es probablemente responsable del brillo vidrioso resistente a la corrosión de las fundiciones de hierro bien fundidas.

Estas reacciones superficiales, que se producen debido al entorno con alto contenido de oxígeno, contrastan con el interior del hierro líquido. Por debajo de unos 1450 C, las bifilms de SiO2 arrastradas en la masa fundida son estables y continúan acumulándose durante la manipulación turbulenta del metal líquido. Así, cuando se alcanza la temperatura eutéctica están disponibles como sustratos para la precipitación de carbono para formar escamas de grafito (Campbell 2009). El SiO2 sólido que realiza una valiosa acción en el interior del líquido a granel contrasta con la valiosa acción del silicato líquido en la superficie exterior del líquido, que es la ayuda a la fluidez y la reducción de los defectos turbulentos como las vueltas.

Es una inmensa suerte que el hierro fundido desarrolle el beneficio de sus silicatos de óxido líquido en su superficie justo antes de ser vertido sin perder el beneficio de sus bifilamentos de sílice sólida interior. Esta es claramente la razón por la que, en general, las máquinas de vapor fueron tolerablemente fiables y la revolución industrial tuvo éxito.