i introducciÓn - sappi.ipn.mx · campo de la metalurgia ... los productos de reacción ......
TRANSCRIPT
I INTRODUCCIÓN En años recientes, los fabricantes de las fundiciones de Hierro Nodular han observado el uso
potencial de este material, como resultado del amplio rango de propiedades mecánicas que
ofrecen. Desde su introducción comercial en 1948(1), las fundiciones de Hierro Nodular han
sido una alternativa en cuanto a costo de fabricación con respecto a las aleaciones con cierta
ductilidad, las fundiciones de Acero, las Piezas Forjadas y otros tipos de materiales. Los
Hierros Nodulares son empleados en muchos campos de la ingeniería, siendo el sector
automotriz uno de los principales consumidores; en cada región geográfica del planeta se les
conoce con diferentes nombres, por ejemplo, Hierros Nodulares, Hierros Dúctiles e incluso
fundición esferoidal(2).
Actualmente en México el principal consumidor de este material lo constituye el sector
automotriz, que es uno de los más importantes para la economía del país, debido
principalmente al número de empleos directos e indirectos que genera, así como por el
volumen de sus exportaciones, y por consiguiente es la industria que utiliza los métodos de
fabricación de hierro nodular más modernos. La fabricación de este material se lleva
comúnmente a cabo por dos tratamientos consecutivos fundamentales que son la inoculación
y nodularización, existiendo diversos métodos y tecnologías para llevarlos a cabo.
El desarrollo de métodos de fabricación continua siendo un importante tema de estudio en el
campo de la metalurgia de las fundiciones de hierro. La constante demanda para
componentes, especialmente para la industria automotriz, persigue la finalidad de tener
mayor eficiencia, reduciendo al mínimo las dificultades de manejo en los procesos de
manufactura, con la finalidad de reducir gastos en la fabricación de piezas por fundición.
Dentro de estos desarrollos, se ha prestado especial atención en las técnicas análisis térmico
como medio de control de los procesos de colada en metales y calidad microestructural,
empleando técnicas computarizadas. Se han estudiando aspectos tales como llenado de
moldes, transferencia de calor y defectos de solidificación. Actualmente, puede decirse que
nos encontramos en una etapa fuertemente orientada hacia el modelado de piezas coladas,
donde toda la información que se pueda obtener, previo al colado de la pieza, es de sumo
1
provecho para optimizar los procesos de manufactura y de colado, aumentando la calidad del
producto.
Si la microestructura y las propiedades mecánicas de estos materiales pueden predecirse y
optimizarse previamente a la producción, se facilita notablemente el diseño de la colada y el
control de calidad. Así se podría, por ejemplo, estudiar la forma de incrementar la densidad
de nódulos en las piezas (3).
Y por medio de la técnica de análisis térmico se podrá mejorar la calidad microestructural del
hierro nodular y propiedades mecánicas, con el estudio de las curvas de enfriamiento durante
el vaciado y solidificación; estudiando los puntos característicos de las curvas, como la
temperatura mínima, temperatura máxima, temperatura y tiempo de fin de la solidificación
pudiendo establecer una relación entre ellos..
1.1 JUSTIFICACIÓN Actualmente la industria de la fundición de hierros nodulares busca métodos más eficientes,
con menores costos de fabricación y mayor tiempo de efecto nodularizante en las coladas.
En este estudio se pretende optimizar un método de fabricación para hierros nodulares
comerciales buscando las mejores condiciones y parámetros, así como ofrecer una
explicación de la fenomenología involucrada.
OBJETIVOS
Determinar los parámetros de fabricación más adecuados por este método.
Explicar el fenómeno de formación de estructura nodular a partir del análisis de las
curvas de enfriamiento (Análisis Térmico).
Analizar el efecto del tamaño de partícula de los polvos de magnesio en el baño
metálico durante el tratamiento de nodularización.
Obtener el máximo efecto del magnesio en el baño, con el fin de tener la mejor
distribución y morfología de los nódulos, y controlar la cantidad de inclusiones
formadas en el material solidificado.
2
II ANTECEDENTES 2 .1 Hierro nodular.
El proceso de fabricación del hierro nodular se basa en dos tratamientos consecutivos que
son:
Tratamiento de nodularización: consiste añadir al baño metálico elementos esferoidizantes,
en cantidades pequeñas y entre los principales se encuentra el magnesio, cerio y calcio, pero
industrialmente solo el Magnesio y Calcio son tomados en cuenta, y estos elementos son
acompañados por otros que sirven como portadores conformando la aleación deseada
Tratamiento de inoculación: se somete la fundición nodularizada a un tratamiento especial
con el fin de evitar que pase parcial o totalmente a fundición blanca e impedir que los nódulos
se disuelvan en el baño metálico fundido y formar carburos, desvaneciéndose la acción
nodularizante del Magnesio. Los inoculantes también actúan como centros de nucleación y
los más empleados son: FeSi, FeSiCr, el silicato de calcio, etc.(4)
La desoxidación en la producción es necesaria en el baño que es una condición principal
para que se formen los esferoides que durante la cristalización aparecen al desprenderse el
carbono del hierro. La desoxidación se consigue perfectamente con ayuda del magnesio,
permitiendo obtener más económicamente resultados igualmente satisfactorios y al mismo
tiempo también la nodularización. Con toda certeza la desoxidación del hierro líquido es
absolutamente necesaria, pero no basta para que se forme grafito esferoidal. Asimismo se
sabe que otros elementos, como por ejemplo, Plomo, Bismuto, impiden la formación de los
esferoides, incluso en la presencia de suficiente Magnesio, y que esta interferencia se puede
eliminar por adición de metales de tierras raras.
Para producir el hierro nodular se emplean cargas, por ejemplo de arrabio y chatarra de
acero, que satisfacen estos requisitos.
Es importante que el material de carga contenga la menor cantidad posible de Azufre, ya que
el Magnesio tiene gran afinidad no solamente con el oxígeno, sino también con el Azufre y,
por lo tanto al combinarse con éste último, no se dispondrá de Magnesio necesario para la
3
desoxidación del metal base y eventualmente para otros fines. Un contenido, lo más bajo
posible de Azufre en el metal líquido es también de gran importancia debido a que tras el
tratamiento metalúrgico debe desescoriarse el baño, para separar la escoria de la
combinación Magnesio-Azufre y Magnesio-Oxígeno. Los productos de reacción (sulfuros,
óxidos y también silicatos) dificultan el llenado de moldes, perjudican la calidad de las piezas
fundidas y pueden llegar a afectar las propiedades del material colado hasta el extremo de
hacer inutilizable la pieza si antes de que solidifique el metal no se consigue la separación de
aquellos.(5)
2.2 TEORIAS DE FORMACIÓN DE NÓDULOS DE GRAFITO O GRAFITIZACIÓN 2.2.1 Teoría de contornos de fases o de la burbuja
La Teoría de la Burbuja expone que las burbujas diminutas en el metal líquido, creado por la
evolución de gas, son sitios ideales para núcleos que darán lugar al crecimiento de nódulos
de grafito. El grafito tiende a cristalizar sobre una superficie como poros, grietas, inclusiones
y el puede formarse si su cristalización está protegida por la presencia de alguna especie de
contorno de fase como el CO y de no ser así se llega a formar carburo o diamante. (6)
La presencia de los contornos de fase son suministrados por la presencia de las burbujas de
oxido de carbono en el metal liquido y que surgen de la reacción:
SiO2 + 2C = Si + 2CO . . . . . . . . . . . . . . . (1)
En el caso de grafito laminar se forman grandes burbujas cuyas superficies se cubren
parcialmente con una delgada capa de grafito y la superficie del grafito naciente absorbe
pronto el CO del interior desapareciendo la burbuja dando lugar aun grupo irregular de
laminillas de grafito con orientación radial algo imprecisa más o menos interconectadas.
Para formar los esferoides de grafito, en el tratamiento se diminuye el contenido de oxigeno
hasta un intervalo de 30 a 100 ppm y asimismo el azufre, la inoculación proporciona
partículas submicroscopicas activas (centros de nucleación) y debido elementos tenso
activos como Magnesio se evita el crecimiento en forma de película. Las dislocaciones
obligan al plano basal creciente a plegarse sobre si mismo, originando un crecimiento de tipo
espiral dando a lugar a bigotes de grafito como se muestra en la figura 6. Donde los bigotes
4
crecen perpendicularmente a la superficie de una cavidad de concentración interna y se
produce en su base, empujando a las capas ya presentes hacia el interior de la cavidad.
Fig. 1. Crecimiento axial en espiral de un cristal de grafito(hipótesis)(6).
Por lo tanto sus etapas del crecimiento del esferoide son:
a) Disminución del contenido de oxigeno hasta un nivel tal que el volumen total de burbujas de CO sea del mismo orden de magnitud que el volumen de grafito que ha de precipitar.
b) Proporcionar óxidos dispersos (inoculantes) c) Al enfriamiento, el SiO2 molecularmente disuelto (en equilibrio con C) precipita sobre
los óxidos inoculantes. Haciendo el equilibrio heterogéneo.
d) Con equilibrio heterogéneo parte del SiO2 reacciona con el carbono formando burbujas de CO en dispersión muy fina.
En esta teoría, el grafito crece radialmente del exterior en la burbuja, como lo indica la figura
7 en donde de acuerdo a las reacciones 1, 2, y 3 .
Fe3C + 3Fe + C.........................(2)
Mg + O = MgO..........................(3)
2.2.2 Teoría de la frecuencia de ramificación de las dendritas:
5
En esta teoría se decía que el crecimiento del esferoide de grafito empezaban como
laminillas de grafito similares al las de hierro gris y crecían en forma dendrítica, si la
frecuencia de ramificación es baja se forman laminillas y si no por la presencia del
esferoidizante (Mg.) la frecuencia se hace grande y las ramas se superponen unas a otras
resultando el nódulo de grafito.
2.2.3. Teoría de la descomposición de la Cementita En los primeros años los tratamientos térmicos eran esenciales para obtener una estructura
nodular que estaba totalmente libre del cementita. Por tanto, no es sorprendente que una de
las primeras teorías estuviera basada en que los nódulos fueran formados por la
descomposición de la cementita. Esta teoría estuvo después de todo, en existencia más de
40 años con respecto a la formación de la hojuela de grafito del hierro gris. Según Morrogh
[10], uno de los pioneros en este campo, un nódulo de grafito nunca se formó en la fusión,
pero siempre por la descomposición de cementita.(8) Dunphy y Pellini declararon que se
forman nódulos en la vecindad de las dendritas existentes, poco antes del comienzo de la
reacción eutéctica. Se forman regiones locales de metal fundido supersaturado cerca de los
brazos dendríticos y es en estas regiones locales líquidas que forman los nódulos. Más allá
del crecimiento de los nódulos, tiene lugar por la descomposición del cementita, que se forma
alrededor del nódulo.
2.2.4. Teoría de la energía superficial La presencia de elementos activadores en la superficie como el silicio (tensoactivos) que en
el caso de hierros tiende a deshacer la reacción de Fe3C dejando al carbono libre, este crece
en forma de laminillas grafito de acuerdo con la estructura cristalográfica y con la fuerza de la
cohesión que existe dentro de una pared a otra del plano basal, sin embargo, con la
presencia de elementos esferoidizantes como el magnesio o calcio, la dirección de
crecimiento se acelera y crece perpendicular al plano basal(22). Se cree que con la
minimización de elementos como el azufre y oxigeno, la absorción de los elementos
esferoidizantes es por los planos prismáticos de cristal de grafito y se ha demostrado que la
energía interfacial es mayor entre el hierro con grafito esferoidal que entre el líquido y el
plano basal. Este fue un modelo sugerido por Double y Hallawell.(9)
6
2. 3 TRATAMIENTOS DE ESFEROIDIZACIÓN Para los tratamientos de nodularización del hierro, existen varios elementos como el calcio,
cerio y algunas tierras raras que son altamente reactivos, sin embargo, actualmente el
Magnesio es el elemento más utilizado.
2.3.1. Magnesio
En principio es el responsable de la esferoidización del grafito en los hierros, es un poderoso
desulfurante y desoxidante. Si los contenidos de O2 y/o de S en el baño son muy altos, una
cantidad apreciable de Mg se consumirá en la formación de óxidos y sulfuros de Mg siendo
las reacciones siguientes:
Mg + O = MgO...................(4)
Mg + S = MgS....................(5)
Las teorías hasta el momento estudiadas dan por hecho que el Mg. es el centro de
nucleación y el que produce dicha nucleación en forma esferoidal. Una de las teorías más
aceptadas propone que existe una caída en el potencial de ionización de átomos de Mg. lo
que acompañado a la alta afinidad que existe en este estado entre el Mg. y el C, y a la alta
temperatura del baño, conduce a una interacción donador-receptor entre átomos de carbono
y Mg., con la formación del complejo Mg+-C-. Este servirá como núcleo o punto de partida
para que el grafito se reúna a su alrededor, de esta manera la célula crece y forma un
nódulo, esto explica en cierta forma la alta concentración de C y Mg. en el centro de estos
nódulos. La cantidad de Mg. que se adicionar al baño debe ser bien dosificada para evitar
formas indeseadas de grafito y variaciones imprevistas en la matriz; debido a que el Mg
residual (Mg. total agregado como aleación menos el consumido en el proceso de
desulfuración y desoxidación) que excede la cantidad requerida actúa como un estabilizador
de carburos, promoviendo la formación de carburos en secciones delgadas o restringiendo la
formación de estructura ferritíca en secciones gruesas. Así como el exceso de Magnesio
residual tienden a formar espumas y escorias provocando poros, los contenidos residuales
de Mg. van del orden de 0.05 y 0.08%. Asimismo se tiene que tener en cuenta que el
rendimiento del Mg. no es del 100%, este depende de la temperatura del baño, del proceso
7
empleado y de la concentración del Magnesio en la aleación. En la tabla 1 se muestra la
variación del rendimiento para diferentes porcentajes de Mg.
Tabla 1. Rendimientos del Magnesio.
RENDIMIENTO A DIFERENTES PORCENTAJES % de Mg en aleación Rendimiento
Mg puro 0
50 10 – 25
8 - 12 20 – 40
4 – 8 40 - 60
La proporción de Magnesio residual decae con el tiempo en metal líquido, de modo que una
pieza deba vaciarse en 10 minutos después del tratamiento. Otro aspecto importante es el
punto de fusión del Mg., que es bajo y en la zona de temperatura de fusión del hierro, el Mg.
desarrolla una presión de vapor alta y peligrosa y por lo tanto hay que controlar. El Mg. se
pone en contacto con el hierro de acuerdo al proceso que se ha de desarrollar, pero la
cantidad en que este elemento se adiciona influye en la forma del grafito de la siguiente
manera: (10)
Si el Mg. < Forma grafito laminar con algunos nódulos.
Si el Mg. > Forma nódulos con ciertas deformaciones como son rosetas, laminares
etc.
Si el Mg. >>Ocasiona apariciones de grafito en forma de espiga, diseminado entre
nódulos deformes.
Si el Mg. es el adecuado se presenta solo grafito en forma nodular.
Actualmente existen varios procesos de esferoidización para hierro nodular y que se utilizan
industrialmente como el método sándwich, tundish -Cover y convertidor.
2.3.2. Método sándwich
8
Es el más común y eficiente usado a nivel industrial, el termino sándwich se basa en el
hecho de que el material nodulizante o esferoidizante se cubre con pedaceria de acero en un
contenido aproximado al 1.5% del peso total de la carga, teniendo como finalidad principal de
retardar el comienzo de la reacción y asimismo enfríar el metal líquido en la vecindad
inmediata de la reacción de magnesio e incrementando su recuperación cuando la
temperatura disminuye.
La recuperación de Magnesio se aprovecha en este proceso hasta el 40-45%, teniendo como
principal ventaja que el tiempo de tratamiento es corto, simple y con menos menos
producción de escoria, sin embargo, la principal desventaja es el excesivo calentamiento que
se lleva para poder fundir la pedaceria de acero del sándwich.
El nodularizante se coloca en el fondo de la cuchara y se cubre con una cama de troquel de
acero y se coloca una tapa en la parte superior de la cuchara para evitar la absorción de
oxigeno el baño como se observa en la figura 11.(11)
Fig. 2. Olla para tratamiento Sándwich. 2.3.3. Método de tundish -Cover. Este Método es una modificación del sándwich, el principio de este método se basa en la de
limitar los contenidos de oxígeno disponible, mientras ocurre la reacción líquido
esferoidizante, ya que la olla es parcialmente cerrada por medio de un tapa en la parte
superior de ésta. El metal base se vacía en un recipiente que contiene la tapa y a través de
un orificio de llenado se dirige al fondo de la olla, por el extremo opuesto al lugar donde se
encuentra el agente nodularizante. Fig. 12.(12)
9
Los beneficios que ofrece este método son:
Disminuye la generación de óxidos de Mg. y el que se produce queda depositado en la
parte superior de la tapa de la olla y produce menos humos.
Al disminuir la cantidad de Mg. que se combina con el O2 de aire lo cual aumenta el
coeficiente de recuperación de del Mg. aproximadamente al 60%.
Desaparecen por completo los relámpagos y las explosiones por la reacción del Mg.
Los costos disminuyen en comparación con los métodos sándwich y olla abierta.
Fig. 3. Proceso del tundich-cover 2.3.4. El proceso del convertidor El convertidor Fisher es un recipiente cilíndrico el cual gira 180° sobre su eje estacionario,
este es capaz de usar magnesio puro debido a la resistencia a reacciones violentas que
ocurren, ademas de tener la ventaja poderse autosellarse en caso de que sufra perforaciones
en el interior despues de cada tratamiento de nodulización.
La adición del los elementos nodulizantes en este proceso se colocan cuando esta en
posición horizontal en una camara y conforme empieza el giro del reactor, el metal empieza a
10
temer contacto con la camara que contiene al magnesio y una vez que esta en posición
vertical se genera la reacción de nodularización. La eficiencia del esferoidizante por este
método es del orden de 50-60%, teniendo como ventaja la habilidad de desulfurar un hierro
con altos contenidos de azufre, utilizando al mismo tiempo materiales de Magnesio de bajo
costo, sin embargo, tiene la desventaja de que provoca reacciones violentas y la limpieza
debe ser cuidadosa para evitar acumulamientos de escoria y productos de reacción.(13)
11
III DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.1 METODOLOGIA
La representación esquemática de la secuencia experimental para el desarrollo de este
estudio se observa en la figura 4.
De acuerdo con el método que se propone como alternativo para la fabricación de hierros
nodulares (Figura 5) se puede notar que se reduce los pasos que se realizan, en
comparación con los métodos convencionales.
En la experimentación se calculó la carga metálica a fundir, con una mezcla de chatarra de
acero bajo carbono, arrabio tipo sorel en un porcentaje 60-40 aproximadamente y ajustando
la composición química deseada con grafito de electrodo y ferroaleaciones. La fusión de la
carga se realizo en un horno de inducción, posteriormente se dispone a la adición de la
inoculación en el pico del horno, la nodularización se realizara por medio de inmersión de
una lanza y cartucho de cartón, que lleva el contenido del agente nodulizante. Asimismo el
gas de argon tendrá la finalidad importante, desplazar el contenido de oxigeno en la
atmósfera para tener un control en la olla durante el tratamiento.
Se diseñaron tanto la lanza como los cartuchos en un material de cartón comprimido de
espesor lo suficientemente grueso pera soportar temperaturas de hasta 1500° C por 5 a 7
segundos dentro del baño metálico, con un diseño en su interior para evitar las
aglomeraciones de material nodulizante y se lleve acabo la rección de nodularización
satisfactoriamente.
El control de la temperatura de colado en nuestro caso será aproximadamente de 1480 ± 10
ºC y tomaran lecturas por medio de un pirómetro, debido a que es un factor muy importante
para la fabricación del hierro nodular.
La fusión del metal base se realizo en un horno de inducción con capacidad de 10 Kg. de
metal líquido. Una vez fundida la carga, se prácticaron los tratamientos de inmerción de
12
cartuchos de carton, se toma una muestra para determinar la composición química y tener
referencia de que los elementos se fijaron en la aleación, siendo uno de los principales el
carbono y silicio.
Se tomaran tiempos de inmersión para realizar el tratamiento, buscando el más conveniente
para que la reacción de nodularización sea más eficiente, tomado como referencia los 40
segundos de reacción de los métodos convencionales. Posteriormente se colara el hierro en
moldes de geometría determinada a intervalos de tiempo posiblemente de 5 min. entre cada
probeta y se caracterizara la microestructura.
Fig. 4 Secuencia experimental de este trabajo.
Diseño de colada y desarrollo del método alternativo de
fabricación de hierro nodular
Fusión y colado de hierro
nodular.
Estudio de las análisis térmico- microestructural
(curvas de enfriamiento)
Tratamiento en la olla de nodularización
Inmersión de cartuchos de cartón FeSiMg
Caracterización del hierro nodular
Microscopio óptico % de nódulos % de fase Distribución de
nódulos
Desarrollo del
modelo matemático
Selección de materiales a fundir y equipos empleados
Selección de composición química(Aleación comercial 65-45-12)
Fusión de la carga metálica.
(Horno de inducción)
Muestra Microscopio Electrónico de
Barrido (MEB) y EDS Análisis Químico
Fijación de elementos. (Inclusiones no
metálicas)
13
Para obtener la composición química del metal base, se realizan cálculos de carga lo más
exacto posible y evitar las posibles variaciones en los porcentajes de los elementos.
Con el procedimiento experimental descrito anteriormente se realizará la clasificación de los
parámetros que se van a ser constantes y los que van a ser variables.
1.- Parámetros que van a permanecer constantes:
Cantidad de metal a fundir 10 Kg.
Composición Química del material.
Altura de la lanza.
Temperaturas de tratamiento (1480±10ºC).
2.- Parámetros variables:
Tamaño de partícula del agente nodulizante. (malla # 6, 8, 10)
Flujo del gas argón: (1.5, 2.0 y 2.5 L min-1)(Argón)
Cantidades de Noduloy (FesiMg) (1.5%, 1.0% y 0.9%) Tabla 2.
Fig. 5. Diagrama del método alternativo para fabricación de hierros nodulares.
14
3.2 EQUIPO Y MATERIALES
Para la fusión se utilizo el horno de inducción de frecuencia media (3000 Hz) de capacidad
de 10 Kg. de hierro, con refractario de alta alumina apisonable como lo muestra la figura 6.
Fig. 6 Horno de inducción sin núcleo.
Se diseño la olla de tratamiento de nodularización, que se recubrirá con un refractario
plástico apisonable. Los datos de la temperatura en función del tiempo son registradas en un
sistema de adquisición de datos y obtener las curvas de enfriamiento durante el vaciado y el
solidificado del metal, para posteriormente derivarlas para su interpretación. Las paredes y el
fondo de la olla tendrán espesores gruesos aproximadamente de 45mm. para evitar pérdidas
de calor y un sifón que ayuda a tener un material libre de materiales de reacción e
impurezas. La tapa de la olla llevara pernos de seguridad que se sujetaran a la olla por la
fuerte reacción que se lleva acabo y una perforación en el centro por donde se introducirá la
lanza de de cartón con su respectivo cartucho..
15
Fig. 7 Diseño de olla de tratamiento de nodularización por inyección.
Para tomar las lecturas de temperatura del metal del horno se utiliza un pirómetro digital
equipado con termocoples comerciales. Para tomar las muestras al final del tratamiento se
utilizarán muestreadores con ficha y aguja para análisis químico.
Para la caracterización del análisis metalográfico se realizará de las probetas orejonas(14)
apegándose a la norma ASTM A247 para el examen de la microestructura.
Las mediciones con los termopares de la cuchara y los moldes conjuntamente permitirán
primeramente construir curvas de enfriamiento con las que podrá analizarce como se
comportan las reacciones dentro del baño y posteriormente como es el comportamiento
cuando comienza la solidificación del hierro nodular y como se va perdiendo el efecto
esferoidizante del Mg.
Para la fusión del metal y tratamiento de nodularización se emplearán los siguientes
materiales:
Chatarra de acero 1018
Arrabio
Ferroaleaciones
Grafito de electrodo
16
Gas Argón (agente de arrastre)
La composición química de los materiales se indica en la tabla 2:
Tabla 2. Composición química de materiales (% en peso)
Materiales C Si Mn P S Mg Ce Otros
Acero 1018 0.15 – 0.20 0.16 0.60 - 0.90 0.040 0.05 - - -
Arrabio sorel 4.5 1.50 0.1 0.03 0.03 - - -
Ferro silicio 75 - 0.050 0.04 - -
Femanganeso - - 65 - - - - -
Noduloy 5R - 44/49 - - - 5.0/6.0 0.45 0.75
Para el caso del grafito que se utilizara para el ajuste del metal se considerara una eficiencia
del 95% aproximadamente y para el caso del gas Argón del 99%.
3.3 PRUEBAS DE FUSION Y TRATAMIENTO DEL HIERRO NODULAR Se realizarán varias series de fusiones en el horno de inducción primeramente para
establecer los ajustes más convenientes de composición química y en segundo lugar las
diferentes cantidades de FeSiMg y FeSi que se van a utilizar en el tratamiento del baño
metálico, así como el tiempo de flujo y gasto de Argón.
La composición química del hierro nodular que se tomará como referencia, es el de una
aleación comercial denominada 65-45-12(15), debido a que son de las más utilizadas para la
fabricación de piezas vaciadas y se presenta en la tabla 5.
Tabla 3. Composición química de referencia.(% en peso)
Elemento %C %Si %Mn %S %Mg %P *%Cu
% 3.50-3.80 2.40-2.60 0.50-0.70 0.03 max 0.05 máx 0.03 max 0.20-0.30*El cobre puede ser opcional
17
Este grado de aleación es importante debido a que se tiene referencia de sus propiedades
mecánicas estandarizadas por norma.
3.4 CARACTERIZACIÓN DEL HIERRO NODULAR
Para la caracterización del material se hace uso de las técnicas físicas, químicas y
metalográficas.
Para el ensaye Químico:
Espectroscopia de chispa para análisis químico y determinador de carbono LECO
para carbono y azufre, que son de los equipos más adecuados para hierros.
Ensayes físicos:
Dureza Brinell: Los ensayos se realizan en una máquina de Dureza Brinell de 4000Kg,
con un identador de bola de 10 mm apegandose a la norma ASTM (16).
Ensayes de tensión. Los muestras se ensayan en una máquina electromecánica
controlada por computadora, con una velocidad de desplazamiento de 5mm/min, con
las dimensiones de tamaño pequeño proporcionales al estándar(17), tal y como se
muestra en la figura 21.
Ensaye Metalográficos:
Microscopia óptica: Las fases presentes, distribución y morfología de nódulos: La
observación de la microestructura se realizaráa por medio de un microscopio
metalográfico y ayudados por un analizador de imágenes(19), se tomarán
aproximadamente 30 fotografías a 100X para asegurar la repetibilidad de los
resultados y con apoyo del método visual de comparación con cartas estándar(18) con
el objetivo de caracterizar el conteo nodular, tamaño, morfología y porcentaje de área
de fases de acuerdo a la norma. Primeramente se observa la microestructura sin
ataque para evaluar el porcentaje de nodularidad, morfología y nódulos/mm2, y
18
posteriormente se atacan con nital al 3% por siete segundos para la revelación de las
fases.
Microscopia Electrónica de barrido marca JEOL modelo 6300, con sistema de
microanálisis NORAN: Se harán observaciones con este equipo y buscar posibles
productos de reacción e inclusiones dentro del material solidificado, cuantificarlos y
clasificarlos.
19
IV RESULTADOS
Las composiciones químicas que se manejaron para la aleaciones de hierro nodular en la
parte experimental, se llevarón acabo una serie de pruebas experimentales en el horno de
inducción hasta dominar el método de fabricación obteniendo los mejores resultados.
A continuación se presentan los resultados obtenidos de la caracterización de los hierros
nodulares realizados en la etapa experimental que se expresa en coladas 1A, 2A y 3A, que
en este trabajo asi identificaron.
4.1 ANALISIS QUÍMICO El análisis químico se realizo por el método de espectrofotometría de emisión por chispa y
determinador de carbono y azufre (LECO), teniendo como resultados los mostrados en las
tablas 4.
Tabla 4. Análisis químico de la colada A (% en masa). Muestra C.E %C %Si %Mn %S %P %Mg
1A 4.64 3.781 2.587 0.271 0.041 0.059 0.091
2A 4.70 3.834 2.611 0.293 0.049 0.051 0.088
3A 4.65 3.795 2.610 0.298 0.049 0.056 0.055 Con estas composiciones químicas, los hierros fabricados están dentro de los intervalos que
se establecieron en la propuesta experimental, en donde su variación es mínima por cada
elemento, en el caso del Magnesio, es el residual que se queda en la aleación después del
tratamiento de nodularización, donde lo máximo es hasta de 0.05% por lo que se asegura
que tuvo una reacción eficiente si esta por debajo del establecido.
El elemento importante es el Magnesio, ya que deacuerdo a los contenidos en el residual nos
podemos dar cuenta como estuvo la reacción de nodulización, los contenidos de los demas
20
elementos que se reportan en la tabla anterior son los establecidos y se observa que
prácticamente todas las cantidadades adicionadas se fijaron en las aleaciones.
4.2 RESULTADOS MICROESTRUCTURALES 4.2.1 MICROSCOPIA OPTICA
Las figuras 8 a 11 muestran las microestructuras con y sin ataque para la serie A, las figuras
8 a 10 muestran las microestruturas típicas a 100X sin ataque, donde se aprecian esferas de
grafito, sin embargo, en la figura 8 una gran cantidad de los grafitos estan totalmente
deformes y de tamaños irregulares, comúnmente denominados vermicular.
Asimismo se observa que la poca cantidad de nódulos que estan en buen estado estan
dispersos y son poco abundantes con distancias entre nódulos grande. Los tamaños de los
nodulos esta totalmente irregulara por lo que podemos decir que la reacción de
nodularización no fue totalmente eficiente y homogenea como para lograr la formación de los
grafitos sanos.
Fig. 8. 1A Microestructura sin atacar, 100 X. En las figura 12 puede notar que existen nódulos de grafito ligeramente esféricos de
diferentes tamaños, en donde abundan más los pequeño e iregulares, pero empieza ha
21
haber menos nodulos deformes como en la figura anterior, los nodulos son poco dispersos
entre si, es decir, la dencidad de es muy pobre. En la figura 9 podemos observar que los los nodulos de grafito estan totalmente esfericos
con una buena disperción, con tamaños mas uniformes y esta totalmente libre de nodulos
deformes, en este caso podemos decir que la reacción de nodularización fue totalmente
eficiente y satisfactoria lo podemos rectificar con el porcentaje de magnesio en la
composición química.
Fig. 9. 3A Microestructura sin atacar, 100 X. Las figuras 10 a 12 son microestructuras atacadas con nital al 3%, a 100X, a diferencia de
las microestructuras anteriormente descritas, aquí se observan las fases presentes como
perlita y ferrita, asi como los nodulos de grafito. Que son fases que presentan generalmente
en los hierros nodulares comerciales, en la fabricación de piezas automotrices.
Fig. 10. 1A Microestructura atacada, nital 3%, 100 X.
22
Sin embargo en las micrografias de la las figuras 25 y 26 la cantidad que presenta de la fase
perlita es relativamente pobre, a lo que podemos decir que, probablemente la velocidad de
enfriamiento en el material fue muy lento lo que dio a lugar la formación a la ferrita en mayor
cantidad dentro de toda matriz.
Fig. 11. 2A Microestructura atacada, nital 3%, 100 X.
En la micrografia de la figura 12, se observa que las fases presentes son relativamente
iguales en catidades de perlita y ferrita que son practicamente las fases que presenta un
hierro de clase 65-45-12 que se puede decir que es un hierro perlitico-ferritico y en donde
presenta una buena cantidad de nodulos de grafito y practicamente libres de cementita o
carburos de hierro.
Fig. 12. 3A Microestructura atacada, nital 3%, 100 X.
23
En la tabla 5. se presenta los resultados resumidos de las microestructuras anteriormente
descritas. La evaluación del tipo de grafito se realizo de acuerdo a las normas
Tabla 5. Resultados microestructurales, Serie A
Colada CE % Nodularidad
Conteo Nód/mm2
FASES %
Grafito %
perlita %
ferrita A0 4.42 50 150 11.51 63 25.49
A1 4.42 65 250 10.38 76.35 6.19
A2 4.42 95 350 10.25 47.86 41.86
Tabla 6. Resultados
24
V CONCLUSIONES El uso como método alternativo de la inmersión de una lanza y cartuchos de cartón
con aleación de magnesio para la fabricación de hierros nodulares es factible y con
posibilidad de ser escalado a pequeña y mediana industria (pymes).
Se estableció el diseño de lanza y cartuchos, los tiempos de nodularizado y
cantidades de magnesio para obtener hierro nodular de adecuada calidad. Por este
método implementado se fijan correctamente los aleantes, después del tratamiento
para la nodularización. Al elegir los parámetros de proceso adecuados el magnesio
principalmente queda dentro de los límites establecidos.
Cuando el residual de magnesio queda por arriba de los límites establecidos, se
obtienen en el material nodularidades bajas y grafitos defectuosos (vermicularidad)
como en las aleaciones A1 y A2, cuando queda por dentro de los limites la
nodularidad es por arriba del 90% como en la aleación A3. Es decir la cantidad de
aleación de magnesio usada, es suficiente para formar los nódulos de grafito sanos.
El uso del FeSi como inoculante, para este caso en particular, no es totalmente
eficiente, debido al desvanecimiento rápido dentro del baño metálico, provocando
nódulos deformes, mientras que el uso de inoculoy 63 mejoró notablemente, tanto la
morfología como la distribución de grafitos, como en la aleación 3A.
Al término de la reacción de nodularización se produjo menos productos de reacción
que en el método tradicional .
La baja nodularidad en la microestructura de las muestras A1 y A2, no fue factor para
que las propiedades mecánicas disminuyeran severamente, sin embargo, afecta
ligeramente en la ductilidad del material, principalmente en la muestra A1 que es la
que más baja nodularidad presenta.
El uso del FeSi como inoculante, para este caso en particular, no es totalmente
eficiente, debido al desvanecimiento rápido, provocando nódulos vermiculares.
El uso de inoculoy 63 mejoro notablemente, tanto la morfología como la distribución de
grafitos en la aleación 3A.
25
VI BIBLIOGRAFÍA
1.- J. Ribas, “La fundición cumple 55 años” , Rewipublicación de internet pp. 5-8 (2000).
2.- Miguel A. Acosta, Miguel Martínez M, José A.o López E., “El tratamiento de los hierros nodulares en el mejoramiento de los materiales en la industria atomotriz”, Publicación Técnica No. 148 Sanfandila, Qro, , pp 1,2. (2000)
3.- J.M. Borrajo, R.A. Martínez, R.E. Boeri y J.A. Sikora, “Prediccion del conteo nodular en fundiciones mediante el analisis de curvas de enfriamiento”, División Metalurgia – INTEMA – Fac. de Ingeniería, UNMdP. J.B. Justo 4302 – (7600) - Mar del Plata – ARGENTINA, pp 133, 132.(2000) 4.- KEMPERS, Hans - GRAHL, Joachin De. "Fundición de grafito esferoidal". En: Fundición. Número 112, , pp 37 - 43. (1969)
5.- VAN EEGHEN. "Consideraciones sobre los distintos procedimientos de la fabricación con grafito esferoidal, las dificultades de fabricación y el control". En: Fundición. Número126, , pp. 27 –33(1970) 6.- S.I.Karsay, “Ductile Iron, The state of the art”. Uitgave QIT, (1980).
7.- Stephen I. Karsay ., “Fundición con grafito esferoidal I. QIT-FER ET TITANE INC.,
MONTREAL, P.Q., CANADA pp.12 -18.(1975)
8.- Cees van de Velde, “Development of Theories on Graphite Formation in Ductile Cast Iron” Last revision: December 12, , pp 3. (1999)
9.- I. Minkoff, “The Physical Metallurgy of cast Iron”, Technion-Israel Institute of
technology, pp. 107-108. (1983)
10.- Alexander Saavedra M. y Alexander Enrique V. E. “Fundición esferoidal” Articulo
pp. 3 - 4.(2001)
11.- Stephen Istvan Karsay “Ductile iron production practices”, pp 65.(1985)
26
12.- D. L Crews, F. W. Kellam “Ductile iron Molten Metal Processinig”, A publication of
Foundrimen’s Society 2da editions, pp 31 (1974)
13.- Edward Fras, J.L. Serrano, Anastasio Bustos A. ILAFA, “Fundiciones de Hierro”,
pp 13. (1990),
14.- ASTM A-247. “Standart Test Method for Evaluating the Microstructure Graphite iron Castings1” Annual Book of ASTM, pp 114-115. (1990)
15.- ASTM A-536. “Standart Specification for Ductile Iron Casting1” Annual Book
of ASTM, pp 297-301. (1990)
16.- ASTM E10 –78 “Standart Specification for Brinell Hardness of Metallic Materials1”, of ASTM, pp. 226-231(1980)
17.- ASTM E8M “Standart Test Method of Tension Testing of Metallic Materials”, of
ASTM (1990).
18.- American Foundrymen´s Society “CARTAS STANDARD”, , AFS, (1980)
19.- “Image-Pro Plus”, Version 3.0 for Windows Reference Guide, Media Cybernetics,
Silver Spring, (1995).
20.- Apraiz Barreiro José, “Fundición”, Barcelona España, pp 72, 23, 116.(1990)
21.- Sydney H. Avner, “Introducción a la metalurgia física”, segunda edición, McGraw-
Hill/interamericana de México, pp 423,426. (1989)
22.- B. Z. Broma and M. F. Hawkes “Kinetics of graphitization in cast iron” Transations
AFS, vol. 59, pp. 182,183. (1951)
27
28
23.- M. M. Cisneros G., M. Castro R., “Uso de análisis térmico en el control de la microestructura eh hierros nodulares hipereutecticos”, III Congreso internacional de
materiales y XVIII encuentro de investigación metalúrgica, ITS; pp 203, 204. (1996). 24.- J.M. Borrajo, R.A. Martínez, “PREDICCION DEL CONTEO NODULAR EN FUNDICIONES MEDIANTE EL ANALISIS DE CURVAS DE ENFRIAMIENTO”, Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto, pp 131,138 (2000) 25.-Omar Quintero Sayago, “Solidificación” Departamento de Ciencia de los Materiales. Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela. pp. 27,28 (2003)