4. Marco Teorico4.1 Fundicin Gris La fundicin gris es un material metlico compuesto estructuralmente de un constituyente matriz y de un material disperso. La matriz puede considerarse que es acero, sea ste de tipo ferrtico, perltico o ferrito-perltico. El material disperso es la parte del carbono que no est disuelto en el acero y que toma la forma de grafito. Por tanto, el comportamiento mecnico de una fundicin gris resulta parecido al de un acero con numerosas microfisuras taponadas por grafito. Este grafito aparece como pequeas partculas o lminas insertas en la matriz metlica. Si la estructura matriz es de tipo ferrtico, ser mayor la cantidad de grafito, puesto que la ferrita apenas disuelve carbono. Si por el contrario es de tipo perltico entonces ser menor la cantidad de carbono libre puesto que habr una parte del Carbono que se une a otra de Hierro formando la Cementita que constituye el conjunto perltico. La cantidad, la forma y el tamao del grafito, y por otra parte el tipo de estructura matriz que resulte sern los elementos determinantes de las propiedades que tenga esa fundicin.4.1.1 Fundicin Gris perlticaSu estructura est formada de perlita con inclusiones de grafito. Como se sabe, la perlita contiene un 0,8 % de C, por consiguiente, esta unidad de carbono se halla en la fundicin perltica gris en estado ligado , es decir, en forma de cementita. La cantidad restante se encuentra en estado libre, o sea, en forma de grafito.4.1.2 Diagrama de Fe- CEn el diagram Fe - C se muestran las fases de las aleaciones, Las lneas continuas determinan la temperatura de las fases de equilibrio de austenita (ferrita) - cementita y las lneas discontinuas, la fase de equilibrio entre la austenita (ferrita) y grafito.El diagrama constitucional Fe - C (lneas continuas) corresponde al de la formacin de austenita + cementita o ferrita + cementita. Por esta razn, el diagrama es frecuentemente llamado diagrama metaestable, puesto que la cementita es una fase inestable. Mientras el diagrama de equilibrio de lneas punteadas, corresponde al de la formacin de austenita + grafito o ferrita + grafito. Este diagrama es conocido comnmente como diagrama estable Fe - C, por ser la estructura de ferrita + grafito ms estable que una de ferrita + cementita.Las transformaciones que se producen en los calentamientos y enfriamientos de las fundiciones grises deben estudiarse con ayuda de un diagrama hierro carbono estable un poco diferente al de los aceros. Este diagrama se refiere, en general, a aleaciones de alto contenido en silicio (1 a 4 % generalmente). Una caracterstica de este diagrama estable es que sus constituyentes son grafito y hierro, en lugar de cementita y hierro, que son los constituyentes del diagrama metaestable.

Figura 1. Diagrama hierro-carbono estable (lnea segmentada) y diagrama hierro-carbono meta estable (lneas continuas). Aleaciones convencionales (comerciales) Hipoeutectoides. Aleaciones propuestas Hipereutectoides.

En cuanto a la formacin de una matriz perltica ser funcin de la combinacin de la cantidad de carbono y de silicio, y por supuesto del espesor de la pieza.Cabe mencionar que la fundicin gris perlitica se encuentra entre el rango de 2.5 % a 4% de grafito

4.1.3 Curvas de enfriamiento de la fundicin gris hipoeutectica

Figura 2. Esquema que muestra las curvas de enfriamiento A1, A2, de la solidificacin estable de la fundicin gris perlitica.Una aleacin hipoeutctica A2 empieza a solidificar en el punto 3 de la lnea de lquidus. La aleacin lquida solidifica en forma de dendritas de austenita que crecen y se desarrollan desde el lquido. A la temperatura de 1154 C termina la solidificacin de la austenita primaria y el lquido alcanza la composicin eutctica (punto 4), solidificando entonces el eutctico austenita grafito (punto 4"). A medida que contina el enfriamiento de la aleacin ya solidificada, se formarn nuevas cantidades de grafito por precipitacin de carbono desde la austenita, en tanto que la concentracin de esta se acerca a la composicin de la eutectoide de 0,68 % de carbono. A la temperatura de 738 C (punto 5) comienza la reaccin eutectoide y la austenita de 0,68 %C se descompone en ferrita y grafito, para terminar en el punto 5". El grafito se une con las partculas ya existentes y no se presenta separado del grafito eutctico. Luego contina la solidificacin hasta la temperatura ambiente, obtenindose finalmente ferrita y grafito.

4.1.4 Influencia de los elementos grafitizantes El Silicio (Si) al ser un enrgico grafitizador, si no es balanceado por otros elementos formadores de carburo, el carbono primario precipita como hojuelas de grafito. Una vez que se constituye el carbono primario como grafito su forma ya no puede alterarse. Estas hojuelas rompen la continuidad de la matriz y generan un efecto concentrador de esfuerzos, lo cual explica la baja resistencia y ductilidad de la fundicin gris.El contenido de Silicio afecta la formacin de carburos, dando como resultado las distintas matrices de la fundicin gris. En la regin media hay suficiente silicio como para provocar la grafitizacin de todos los carburos excepto la cementita eutectoide, de manera que se obtiene matriz perltica y hojuelas de grafito. Se requiere de un cuidadoso control del contenido de silicio y de la velocidad de enfriamiento para grafitizar la cementita eutctica y proeutectoide pero no la eutectoide a fin de lograr una matriz totalmente perltica de alta Resistencia.La cantidad de silicio presente ser por tanto determinante del tipo de estructura que queremos obtener. El efecto grafitizador del Silicio se puede explicar observando cmo modifica las temperaturas eutcticas en los diagramas estable y metaestable. La separacin de ambas temperaturas da lugar a que la curva de solidificacin tpica de las aleaciones hipoeutcticas permita completar la solidificacin sin que se haya atravesado la lnea eutctica metaestable y as obtener una estructura ausente de cementitaEs evidente que la velocidad de enfriamiento juega un papel fundamental en este proceso, y eso puede llevar al fundidor a variar el contenido de Silicio en el caso de tener espesores delgados o bien a utilizar otras tcnicas para minimizar las velocidades en esos puntos.El silicio propicia que la austenita se transforme en Ferrita y Grafito, evitando as la transformacin natural de la Austenita en Perlita ferrita y cementita-, es decir, nuevamente se tiene el compromiso entre la transformacin estable y metaestable. Tambin en este caso la velocidad de enfriamiento juega un papel fundamental en los productos de esta transformacin: enfriamiento lento da lugar a una estructura de matriz ferrtica y por consiguiente suave, enfriamiento rpido dar lugar a una estructura perltica y de mayor Resistencia.Los aleantes se aaden para mejorar determinadas propiedades especficas, como resistencia al desgaste, la corrosin o la temperatura de cada tipo de fundicin. El efecto general de todos ellos es el de acelerar o retardar la grafitizacin, los ms comunes son Cromo, nquel, Cobre, Molibdeno y Vanadio.El Cobre tiene efecto grafitizador leve, disocia la cementita maciza haciendo menos frgil la matriz, pero sobre todo aumenta la resistencia a la corrosin. Comnmente se le utiliza para fundiciones maleables especiales.El nquel es grafitizador, retarda la transformacin de la austenita y estabiliza la perlita permitiendo lograr matrices totalmente perlticas. Se lo utiliza en combinacin con el Cromo en la fundicin Blanca para lograr una matriz combinada de carburos, martensitay austenita retenida, que logran una resistencia a la abrasin y dureza superiors.4.1.5 Propiedades mecnicas de la fundicin gris perliticaDesde un punto de vista mecnico las fundiciones grises son comparativamente frgiles y poco resistentes a la traccin. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresin son muy superiores. Esta fundiciones amortiguan la energa vibracional de forma mucho ms efectiva que los aceros. As los equipos que vibran mucho se suelen construir de esta aleacin. A la temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo que permite moldear piezas de forma muy complicadas. Adems, la fundicin gris es uno de los materiales metlicos ms baratos. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.Las propiedades de resistencia a la rotura, la resistencia a la flexin y a la torsin, estn determinadas significativamente por el contenido forma y tamao de las partculas de grafito y difieren apreciablemente de las propiedades del acero.4.2 Disco de frenoLos discos de freno interactan con las pastillas para frenar el vehculo, debido a que el disco gira junto con las ruedas. Ese rozamiento entre el disco y la pastilla produce la transformacin de energa cintica en energa calorfica que se disipa en el ambiente, provocando una reduccin de la velocidad.Los discos de freno no solo deben producir la transformacin de energa sino que adems deben de conseguir disipar lo ms rpidamente posible a la atmosfera el calor producido, debido a que las altas temperaturas presentes durante el frenado podran llegar a colapsar el sistema.2.1 Composicin qumicaPor motivos de estabilidad en las prestaciones de los disco de freno, el costo de la materia prima y de facilidad de fabricacin, la fundicin gris resulta ser el material indicado. El hierro gris por sus buenas propiedades mecnicas, trmicas y tecnolgicas de fabricacin que presentan, tiene una mayor ventaja sobre otros materiales. Se puede constatar que para cada tipo de vehculos y de disco se necesitara un tipo de fundicin con caractersticas especiales. Para modificar las prestaciones de un hierro se interviene en dos aspectos: la composicin qumica y el tratamiento de inoculacin durante la colada.La composicin qumica del material de los discos es una fundicin gris perlitica, que contiene entre un 92% y un 93% de hierro. Al hierro que contiene otros elementos adems del C, Si, Mn, P y S, se le denomina hierro aleado.La composicin qumica especificada para un disco de freno puede variar, ya que est en funcin del diseo del disco a fabricar (tamao, espesores y tipo de automvil). Los elementos aleantes tales como: Cr, Cu, Ni, Sn, Mo y otros elementos pueden ser empleados para obtener propiedades mecnicas y fsicas especficas requerimientos estructurales especiales para condiciones de servicio particulares.2.2 Geometra La geometra de los discos de frenos consta de una pista de frenaje perfectamente plana; en algunos casos con modificaciones (aletas) con la finalidad de una mejor disipacin del calor y desempeo en el disco. La pista: Superficie la cual interacciona con las pastilla para producir la accin de friccin entre ambos elementos. Su dimensin est en funcin de su potencia de disipacin, la cual es cercana al valor de 250 W/cm2, este valor puede variar en funcin de la geometra del disco. Si el disco es ventilado el valor de la potencia de disipacin puede alcanzar un valor de 750 W/cm2. Por encima de dichos valores, pueden aparecer daos en el disco, tales como deformaciones geomtricas, grietas, depsitos de material de friccin u otros que daaran el disco de forma irreversible. Fijacin: La fijacin de los discos est situada en la parte central del mismo a travs de un cierto nmero de barrenos que permiten el paso de los pernos del rodamiento del vehculo para permitir el anclaje de la rueda. La campana: La campana es el cilindro que une la pista con la fijacin del disco. El filtro trmico: Es un canal mecanizado, que separa la pista de la fijacin, para reducir el flujo de calor que pasa de la pista haca la campana. Con este tipo de canales se evita el calentamiento excesivo del neumtico.4.3 Desgaste de los discos de frenosEste suele ser un problema tribolgico tpico observado en los automviles ya que el desgaste ocasionado por la friccin de las pastillas y los discos de freno provoca un incorrecto funcionamiento del sistema de frenado. Si las pastillas se han desgastado tanto que ha llegado haber un contacto metal metal entre el disco y el soporte de la pastilla, se aprecia un desgaste muyabrasivo que deja unos surcos muy pronunciados, tambin se observa transformacin de material entre el disco ya que aparecen zonas oscuras.Se puede reconocer este problema por la disminucin de la eficacia del freno as como por el ruido que produce al frenar, con el consiguiente incremento de la temperatura que se produce en el contacto metal metal. Para evitarlo se debe de verificar el desgaste de las pastillas cada 10.000 km. as como debe de verificarse el estado del circuito elctrico del testigo del desgaste para que un fallo de este no produzca el problema descrito.