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

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)

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.

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.

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.

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

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

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.

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

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.

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.

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.