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ESTUDIO DEL HIERRO FUNDIDO NODULAR DE MATRIZ AUSTENTICO
STUDY OF CAST IRON MATRIX NODULAR AUSTENITIC
Eusebio Dionicio P*, Samuel Rosario F*. Oswaldo Gonzales R*,
Vctor Vega G*.
Luis Orihuela S*, Hctor Villacorta A*, Vctor Falcon R*.
RESUMEN
Las fundiciones nodulares austemperadas poseen propiedades
mecnicas ms superiores
que otros miembros de la familia de las fundiciones nodulares en
lo que se refieren a
maquinabilidad, resistencia a la traccin, resistencia al
desgaste, tenacidad y ductilidad.
En la primera etapa de esta investigacin se busca obtener el
material base hierro
fundido nodular de una composicin especfica. Con este propsito,
el hierro fundido
nodular ser obtenido en un horno de crisol de 10 kg., empleando
la energa calorfica
que proviene del quemado del gas de propano (GLP), utilizando
aleacin de magnesio
como nodulizante el cual se introducir en el fondo del material
fundido y como
inoculante silicio (ferrosilico). El metal lquido colado en
molde arena en forma de
cua.
La evaluacin de la microestructura del material fue realizado en
la zona de menor
grosor y en la zona de mayor grosor, siendo como sigue:
La zona de la cua de menor espesor, se aprecia nodulizacin
incipiente y flecos
de grafito, con matriz perltica y presencia de esteadita.
La zona de la cua de mayor grosor, se aprecia flecos de grafito
con escasos
ndulos, y la matriz es perltica.
Palabras claves: hierro fundido nodular, hierro dctil, hierro
con grafito esferoidal.
ABSTRACT
Nodular cast iron austempered has superior mechanical properties
than other members
of nodular cast iron family about machinability, tensile
strength, wear resistance,
toughness and ductility.
In the first stage of this research, nodular cast iron base
material of a specific
composition is sought. For this purpose, the nodular cast iron
will be obtained from a
crucible furnace of 10 kg using the heat energy comming from
burning propane gas
(LPG), using magnesium alloy as nodular which will be introduced
in the bottom of
the molten material as inoculant silicon (ferrosilicon). The
liquid metal mold casting
sand will be wedge-shaped.
Evaluation of the microstructure material was made in the
thinner and thicker zone,
resulting as follows:
*1
* Docentes del Departamento Acadmico de Ingeniera Metalrgica,
UNMSM
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In the lesser thickness wedge area, fringe pelletizing, graphite
fringes with pearlite matrix and steadite are detected.
In the greater thickness wedge, little fringes graphite nodules,
and pearlite matrix are detected.
Keywords: nodular cast iron, ductile iron, spheroidal graphite
iron
I.- INTRODUCCION
La obtencin de materiales de hierro fundido de alta resistencia
mecnica y resistencia a
la corrosin es posible de conseguir mediante la formacin de
grafito esferoidal en una
matriz austentica, la inoculacin de magnesio en el proceso hace
posible la formacin
de ndulos de carbono; as como la adicin de elementos especiales,
tales como el
nquel, cromo, molibdeno, entre otros, que mejoran las
propiedades de la matriz.
El descubrimiento de la fundicin nodular atribuido a los
investigadores britnicos H.
MORROGH y W. WILLIAMS1 tuvo lugar cuando se investigaba la
influencia del Cerio
en la fundicin.
Las primeras referencias de este material fueron publicadas en
el Journal of the Iron and
Steel Institute pgs 321-371, vol. 158, marzo de 1947 con el
ttulo Graphite Formation in Cast Iron and in Nickel-Carbon and
Cobalt-Carbon Alloys; trabajo que fue complementado con el de los
investigadores norteamericanos: A. GAGNEBIN, K.
MILLIS Y N. PILLING1, que en 1949 condujeron a la produccin de
la fundicin con
grafito esferoidal por medio de una adicin de magnesio.
Los hierros fundidos nodulares se clasifican de acuerdo a la
matriz: nodular ferrtico,
nodular ferrtico-perltico, nodular perltico, nodular martenstico
y nodular austentico.
Nodular austentico, son fundiciones aleados con nquel o Ni-Mn a
fin de conseguir
mejores resistencias a la corrosin.
El carbono es el elemento ms importante de aleacin del hierro y
el principal
responsable de la amplia gama de propiedades que presentan las
aleaciones de hierro.
La cantidad de carbono presente determina que la aleacin sea
acero o fundicin, que
sea blanda, dctil o dura; en pocas palabras, el carbono es el
elemento que establece el
carcter de las aleaciones de hierro. Los dems elementos de
aleacin son, en cierto
modo, auxiliares del carbono y se emplean para modificar la
estructura de la matriz o
ciertas propiedades del material.
El diagrama hierro-carbono describe grficamente la influencia
fundamental que el
carbono ejerce sobre el hierro, su punto de fusin, las fases o
constituyentes que se
forman con distintas concentraciones de carbono, la influencia
de la temperatura sobre
los constituyentes y la forma en que solidifican diferentes
aleaciones hierro-carbono.
Aun cuando en la prctica no se alcance las condiciones de
equilibrio en el diagrama
describe, la base para la comprensin de las diferentes
aleaciones de hierro. (Ver figura
N 1)
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Figura N 1: Diagrama Hierro-Carbono* *De: El diagrama de
hierro-carbono y los fundamentos de los tratamientos trmicos del
acero. Miguel P. 1962
2
De acuerdo con su composicin, las aleaciones hierro-carbono se
dividen, usualmente,
en tres categoras:
Atendiendo al contenido de carbono:
a. Hierros, cuyo contenido de carbono es muy bajo y su efecto
sobre las propiedades ordinarias del hierro puro son
despreciables.
b. Aceros, cuyo contenido de carbono es importante. Usualmente
se encuentra en el intervalo de 0.1 a 1.5%, con un valor auxiliar
de 2%.
c. Fundiciones, en las que el contenido de carbono es tal que
permite que solidifique parte del lquido en composicin eutctica.
El
contenido mnimo de carbono es, por tanto, de aproximadamente
4.5% - el hierro fundido nodular por poseer en su composicin
contenidos de carbono en el rango de 3.4 a 4.2, est inscrito
dentro
de esta categora.
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Las fundiciones a su vez pueden subdividirse atendiendo a tres
criterios principales:
Atendiendo a su ubicacin respecto al punto eutctico, se dividen
en:
a. Hipoeutcticas : 2.1 < %C < 4.3
b. Eutcticas : %C = 4.3
c. Hipereutcticas : 4.3 < %C < 6.7
Atendiendo a su composicin qumica se clasifican en:
Tabla N 1: Composicin qumica de los hierros fundidos
Fundicin C Si Mn P S
Gris (Corriente) 2.5 a 4 1.0 a 3.8 0.4 a 1 0.05 a 1 0.05 a
0.25
Gris (Alta resistencia) 2.8 a 3.3 1.4 a 2 0.5 a 0.8 0.05 a 0.15
0.05 a 0.12
Blanca 1.8 a 3.2 0.5 a 1.9 0.25 a 0.8 0.05 a 0.2 0.06 a 0.18
Maleable (Corazn
blanco) 2.5 a 3,0 0.5 a 1.25 0.4 a 0.6 0.05 a 0.1 0.05 a
0.01
Maleable (Corazn
negro) 2.5 a 2.75 0.5 a 1.2 0.4 a 0.6 0.05 a 0.1 0.05 a 0.01
Nodular (Proc. Cerio) 3.6 a 4.3 2.3 a 3.3 0.5 mx 0.05 a 0.1 0.02
mx.
Nodular (Proc. Mg ) 3.4 a 4.3 1.8 a 2.8 0.4 mx 0.05 a 0.1 0.02
mx.
Atendiendo a su fractura se clasifican en:
Fundicin gris
Fundicin blanca
Fundicin atruchada
Fundicin maleable
Fundicin nodular, tambin llamada fundicin con grafito esferoidal
o
fundicin dctil. (Ver figura N 2)
El descubrimiento y posterior desarrollo del hierro fundido
nodular, est enmarcado
dentro del esfuerzo tecnolgico por conseguir mejores propiedades
de las fundiciones,
el mismo que trajo como consecuencia la obtencin y puesta a
punto de las fundiciones
de gran resistencia; las cuales se definen como fundiciones con
resistencias a la traccin
superiores a 40 000 psi.
Figura N 2: Hierro dctil, se aprecia los ndulos de carbn
esferoidal sin ataque y con
ataque qumico mostrando la matriz perltica.
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La obtencin de fundiciones de alta resistencia3 es posible
siguiendo dos direcciones
para el logro de mejores propiedades:
A. Modificando y mejorando la estructura de la base o matriz: a.
Eligiendo una composicin qumica que d un anlisis final en que
se
asegure la obtencin de una estructura de matriz perltico (en
funcin del
espesor de la pieza), sin otras particulares provisionales o
adiciones de
elementos especiales.
b. Eligiendo una composicin qumica tal que la fundicin obtenida,
tienda a resultar con estructura cementtica; ms tratndola en el
momento de colada
con adiciones particulares, que sin influir en anlisis final
actan sobre el
proceso de cristalizacin haciendo tomar a la matriz una
estructura perltica.
c. Aadiendo elementos aleantes especiales, tales como el nquel,
cromo, molibdeno, etc, que mejoran las propiedades de la matriz El
porcentaje de
nquel en la aleacin es crtico para conseguir una matriz
austentico. (en la
figura N 3 se puede apreciar las diferentes matrices).
a. Regulando el proceso de enfriamiento de la pieza colada. b.
Sometiendo la pieza colada a tratamiento trmico especiales.
B. Modificando la forma, dimensiones, cantidad y distribucin del
grafito libre: a. Eligiendo un anlisis qumico que reduzca el
grafito libre. b. Elevando la temperatura un centenar de grados,
con lo cual las Partculas de
grafito se hace finas y pequeas (dplex).
c. Aadiendo determinados elementos qumicos al caldo, que
modifiquen la forma del grafito de lamelar a esferoidal.
d. Acelerando el proceso de enfriamiento de la pieza, para
impedir la formacin de gruesas laminillas de grafito.
Figura N 3: Microestructura y esfuerzo a la rotura de varios
tipos de hierro dctil.
*De: Soremetal
R Ductile Iron Data for design Engineers
4.
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La fundicin nodular contiene un nmero variable de fases
(estructura microgrfica),
entre los cuales las ms importantes, pero no las nicas, se
pueden apreciar en la
Tabla N 2.
Esta tabla tambin da la informacin correspondiente a la
estructura cristalina de cada
fase. La densidad de los varios tipos de fundiciones depende de
la densidad de los
microconstituyentes y de la temperatura. Varios elementos de
aleacin influyen en la densidad, por ejemplo, incrementando el
contenido de Si desde 0 hasta 13.5%, la densidad de la ferrita
se reduce de 7.86 a 7.23
gr/cc; contrariamente la adicin de Cr y Mo elevan la densidad de
la cementita.
Fases presentes en la estructura del Hierro fundido nodular:
Tabla N 2: Matrices presentes en el Hierro fundido nodular
Fases Estructura cristalina Densidad gr/cm3
Cbico de cuerpo centrado 2 tomos
Ferrita por celda en 0, 0, 0 y , , 7.86
parmetro a = 3.16 A
Ortorrmbico 6 tomos por celda
Cementita parmetros a = 4.51 A, b = 5.08 A 7.66
c = 6.73 A
Mezcla eutectoide no constituye una
Perlita fase propiamente 7.78
Hexagonal - 4 tomos por celda
Grafito parmetros a = 2.46 A, 2.25
c = 6.7 A
Tetragonal - 2 tomos de Fe por celda
Martensita adems de 0.12 de carbono 7.63
Cbica de caras centradas 4 tomos
Austenita por celda 7.84
II.-METODOLOGA EXPERIMENTAL
2.1 Primera fusin
Composicin nominal del Hierro fundido nodular:
C Si Mn S P Cu Cr Ni Mo Sn Mg
3,73 2,72 0,348 0,0257 0,0209 0,0292 0,0455 0,882 0,167 0,0049
0,037
Carbono equivalente : CE = 4.4
Para determinar la cantidad de magnesio a agregar, entre muchas
otra se propone la
frmula siguiente:
1 2
3
4residual
agregar
Mg S S
Mg
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Mg residual: Magnesio residual el cual oscila entre 0.05 y
0.08%, aunque existen otras
teoras que afirman que la cantidad optima est entre 0.03 y 0.06%
otros dan como
rango entre 0.03 y 0.12 aclarando que con 0.06 se obtienen las
mejores propiedades
mecnicas
S1: Azufre antes del tratamiento. Debe ser el menor posible
(0.02%)
S2: Azufre despus del tratamiento, generalmente este valor se
asume como 0.01.
: rendimiento de la incorporacin del Magnesio, el cual depende
de la temperatura a la cual se introduce y del contenido del
magnesio en la aleacin, normalmente 50%
Carga en el horno: 8,00 kg
Arrabio 3,500 kg
Hierro fundido (retornos) 5,300 kg
Nquel electroltico 100,00 gramos
Ferro silicio 120,00 gramos
Nodulizante 350,00 gramos
Fusin: Cargar el nquel y calentar hasta que este rojo y pastoso
y 1,00 kg de arrabio,
luego ir agregando el arrabio y el hierro fundido hasta la fusin
total.
Agregar caliza como fundente 80,00 gr, al inicio de la
fusin.
Sobrecalentar hasta 1400C, escoriar y nodulizar antes de
colar.
Colar lo ms rpido posible.
2.2 Segunda fusin
Resolviendo el problema de la temperatura de fusin, la combustin
fue mejorada con
aire enriquecido con oxgeno. Ajustando la composicin.
Temperatura de sobrecalentamiento 1450C
Anlisis qumico C Si Mn S P Mg
Anlisis requerido 3,5 - 3,8 2,25 - 2,50 0,39 - 0,40 0,02 0,06
0,04
Anlisis obtenido 3,25 1,90 0,82 0,015 0,026 0,05
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MOLDE TIPO CUA USADO PARA EL VACIADO DEL METAL LQUIDO
Figura N 4: Muestra tipo cua usado para el vaciado del metal
lquido
Figura N 5: Cua de hierro fundido obtenida de la primera colada
y donde se aprecia
las muestras cortadas para el anlisis metalogrfico.
Propiedades mecnicas del material
Medicin de la dureza
Zona de la cua de menor grosor (5), promedio = 93 HRB
Zona de la cua de mayor grosor (1), promedio = 90 HRB
2.3 ANLISIS METALOGRFICO
A. Primera fundicin
La temperatura despus de la nodulizacin baj rpidamente hasta
cerca de 1200C lo
cual no permiti la nodulizacin completa.
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Figura N 6: Micrografa a 100X sin ataque de la cua de menor
espesor. Se aprecia nodulizacin incipiente y flecos de
grafito.
Figura N 7. Micrografa a 100X sin ataque de la cua de mayor
espesor. Se aprecia flecos de grafito, escasos ndulos
Figura N 8. Micrografa a 500X con ataque nital 2%. Se aprecia
una matriz perltica. Presencia de esteadita
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Figura N 9 Micrografa a 500X com ataque nital 2%. Se aprecia una
matriz Perltica.
B. Segunda fundicin
El problema de la temperatura de nodulizacin fue corregido
logrndose 1450C
que permite una mejor reaccin con el nodulizante a base de
magnesio aun
cuando la temperatura desciende hasta cerca de 1300C lo que
permite mejor
fluidez.
Figura N 10: Micrografa a 100X sin ataque de la cua de menor
espesor, se aprecia nodulizacin y grafito en diferentes formas y
con ataque con Nital al
2% se aprecia la matriz ferrita perlita.
Figura N 11: Micrografa a 200X ataque con Nital al 2%. Ndulo de
grafito rodeado de ferrita en matriz perltica, con la presencia de
esteadita (Hay que controlar el contenido de fsforo.
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III. DISCUSION DE RESULTADOS
La evaluacin del ensayo microscpico muestra que el tratamiento
con el nodulizante a
base de magnesio desarrolla el tipo de grafito nodular. Figuras
6, 10,11.
La presencia de grafito laminar en la primera fundicin despus de
la nodulizacin
indica que:
1. Posiblemente la baja temperatura del metal menor de 1400C no
ha permitido la accin del magnesio y su volatilizacin, no dando
lugar a la inoculacin
posterior.
2. La baja temperatura de nodulizacin ha hecho que el metal
solidifique tempranamente no dando el tiempo necesario para que la
nodulizacin ocurra y
se uniformice en la matriz, es decir bajo gradiente de
temperatura, permitiendo
que mayor proporcin de magnesio residual (> 0,06%) est
presente. Se
corrobora con el anlisis final.
3. La incipiente nodulizacin en la seccin de mayor espesor ha
ocurrido por no haber quedado la cantidad de magnesio suficiente en
su volatilizacin
transcurriendo el metal.
4. La presencia de Esteadita indica que el contenido de fsforo
est por encima del lmite mximo permisible para este tipo de
material (< 0,07%) lo cual dificulta
la nodulizacin. Hay que controlar mejor la materia prima.
5. Habra que evaluar la presencia de elementos residuales que
dificultan la nodulizacin como el Pb, Sn, As, Bi, Sb, Cu entre
otros.
6. La baja temperatura es posible que haya ocurrido con el
material que contena el nodulizante. Para mejorar habr que utilizar
otra tcnica, por ejemplo el mtodo
sndwich.
7. Mejorando el proceso de fusin en el horno de crisol con la
quema de combustible gas GLP y aire enriquecido con oxgeno se logra
mayor
temperatura que permite el tratamiento de nodulizacin ms
eficiente.
IV.- CONCLUSIONES
a) Por los resultados del anlisis metalogrfico se observa que si
se puede obtener ndulos de grafito.
b) Se debe hacer un control minucioso de la materia prima en la
presencia de elementos que no facilite la nodulizacin.
c) Se debe alcanzar temperatura > a los 1400C para asegurar
que en momento de la nodulizacin el gradiente no sea tan corto que
permita alcanzar el estado
slido antes de efectuar bien la nodulizacin.
d) Desarrollar la inoculacin inmediata a la nodulizacin para
estabilizar los ndulos.
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V.- REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
1. C. CHIRINOS, Estudio sobre el fierro fundido nodular pg.6,
tesis, TS/230 C 61 2000, 1989,UNMSM
2. M.P. DE ANDREA, El diagrama hierro-carbono y los fundamentos
de los tratamientos trmicos del acero, pg. 173,Ed. Montecorvo,
Madrid, 1962
3. J.a. GARCIA et al, Experiencia en la Manufactura de Hierro
Nodular Austemperizado sin y con Carbono (ADI CADI) en la UNAM, pg.
3, Departamento de Ingeniera Metalrgica, UNAM, Mxico.
4. SOREMETALR DUCTILE IRON DATA for design Engineerings, Section
II, pg. 2 10, Ed. Ro Tinto Iron & Titanium Inc. Canada,
1990.