INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA.

“PRODUCCIÓN DE HIERRO DÚCTIL AUSTEMPERIZADO (AUSTEMPERED DUCTIL IRON-ADI)”.

Para obtener el título de:

Ingeniero en Metalurgia y Materiales.

Presenta:

Rafael Eguía Lis Centeno.

Director de Tesis:

M. en C. Miguel Ángeles Hernández.

México D. F. 2008.

“Podrás ver mi cara sucia o cansada, pero jamás derrotada”.

Rafael Eguía Lis Centeno.

Agradecimientos:

A mi madre Esperanza Centeno Ortiz. Por ser mi ejemplo y luchar incansablemente contracorriente para brindarme en todo

momento su apoyo, por enseñarme con hechos que querer es poder y por darme la vida y el honor de ser su hijo.

A mi padre Rafael Eguía Lis Guerrero. Por haberme escuchado en momentos difíciles y brindarme el apoyo moral para continuar

con la lucha diaria. A mis hermanos: Carlos Eguía Lis Centeno, Jessica Eguía Lis Centeno y Perla Mylene Piña Centeno. Por haber compartido nuestras vidas en las buenas y en las malas. A mi familia: Vanesa Rancel Ruíz y Renata Camila Rancel Ruíz. Por iluminar mi vida y brindarme el honor de ser el papá de casa, por una vida juntos y

por la fidelidad que nos enriquece, gracias por cambiar mi vida y sobre todo por permitirme compartirla a su lado.

A mi sensei. Miguel Ángeles Hernández. Por ser mi maestro y gran amigo, por su basto apoyo e invaluables enseñanzas dentro y

fuera de las aulas, como profesionista y como mexicano. Al Instituto Politécnico Nacional (IPN). Por brindarme la oportunidad en repetidas ocasiones de ser parte de ésta institución de

excelencia. A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE). Por formarme como profesionista con suficiente ética y conocimientos para ser competitivo

en un mundo tan exigente. Al Departamento de Ingeniería Metalúrgica (DIM). Por ser de éste un olimpo de enseñanza, mi casa. A la generación 2004-2008.

Que contribuyeron en la realización del presente trabajo en signo de compañerismo. Al Grupo de Análisis de Integridad de Ductos (GAID). Por brindarme la oportunidad de aprender y aplicar los conocimientos metalúrgicos

reflejados en el presente trabajo y por compartir tiempo juntos. Al personal de apoyo a la docencia. Sr. Armando. Por contribuir con su trabajo de excelencia a la reincorporación del Horno de Sales en

Laboratorios Pesados de Metalurgia. A mis profesores. A todos aquellos que dedicaron valioso tiempo de su vida para transmitir los

conocimientos que permitieron mi superación personal de manera profesional.

Dedicado:

A mi hija

Giovanna Nicole Eguía Lis Pérez. Por ése amor tan puro, tierno y sin condición que nos une, por ser lo

más grande y preciado que tengo en la vida, gracias por ser la razón de conseguir lo inalcanzable, por cada momento que no pudimos estar juntos y por ser orgullosamente tu padre.

Gracias por ser mi hija, te amo.

ÍNDICE. Resumen.

Introducción. Objetivo. Capítulo I. Consideraciones Teóricas. I.1. Especificaciones. I.2. Aplicaciones del Hierro Dúctil. I.3. Control Metalúrgico en la Producción de Hierro Dúctil. I.4. Forma y Distribución de Grafito. I.4.1 Magnesio metálico sin aleación. I.4.2. Magnesio conteniendo Ferro-Silicio. I.4.3. Nodulizantes base Níquel. I.5. Ensayos e inspección. I.6. Tratamiento Térmico. I.6.1. Relevado de Esfuerzos. I.6.2. Templado. I.6.3. El Normalizado, enfriamiento y templado. I.7. Endurecimiento Superficial. I.8. Propiedades Mecánicas. I.9. Efecto de la composición. I.10. Efecto de la forma del grafito. Capítulo II. Desarrollo Experimental. Etapa I. Fundición. 1ª Experimentación. 2ª Experimentación. 3ª Experimentación. 4ª Experimentación. Etapa II. Tratamiento Térmico de Austemperizado (Austempered Heat Treatment). 1ª Experimentación. 2ª Experimentación. 3ª Experimentación. 4ª Experimentación. 5ª Experimentación. Resultados Y Discusión de Resultados. Etapa I. Fundición. 1ª Experimentación. 2ª Experimentación. 3ª Experimentación. 4ª Experimentación. Etapa II. Tratamiento Térmico de Austemperizado (Austempered Heat Treatment). 1ª Experimentación. 2ª Experimentación. 3ª Experimentación.

4ª Experimentación. 5ª Experimentación. Capítulo IV. Discusión de Resultados. Glosario. Bibliografía. RESUMEN. En la presente tesis se describen las características físico-químicas del Hierro Dúctil

Austemperizado (ADI), como una opción de material avanzado partiendo de un Hierro Dúctil o Nodular comúnmente conocido y de bajo costo, considerando los procesos

Metalúrgicos que tienen lugar durante los dos principales pasos del proceso que son la fundición del Hierro Dúctil o Nodular (hierro base) y el Tratamiento Térmico de Austemperizado.

Asimismo, durante el segundo paso del proceso de obtención del Hierro Dúctil

Austemperizado (ADI), las características del Tratamiento Térmico de Austemperizado, presentan las características de acondicionamiento de equipo necesarias para realizarlo de manera que se cumplan con los requisitos metalúrgicos por la ASM de la pieza tratada, presentándose así la oportunidad de rehabilitar un horno de revenido y adaptándolo como Horno de Sales en los Laboratorios Pesados de Metalurgia del Instituto Politécnico Nacional, cumpliendo con las necesidades que requiere el Tratamiento Térmico de Austemperizado.

Con ello, la obtención del Hierro Dúctil Austemperizado (ADI) presenta los retos

comunes como la falta de equipo y soluciones convencionales, para obtener las ventajas de un material avanzado que apoye al ambiente en cuanto a su aplicación adecuada en componentes que permitan la reducción de espesores, disminuyendo el uso de fuentes de energía cada día más costosos y no renovables.

Durante la experimentación del presente trabajo, se controló el contenido de

elementos que afectan la calidad del metal base como lo son el C, Si, Mg, Cu, P y S, que mantienen una estrecha relación con la composición química, propiedades mecánicas y en la microestructura del Hierro Base, por lo que se trató el baño metálico durante la fundición, basándose en Balance de Materia.

El dispositivo de la campana propuesto para aumentar la eficiencia del método de

Nodulización es una herramienta que brinda gran calidad en la aleación. Así mismo, la necesidad de realizar el Tratamiento Térmico de Austemperizado, permitió la incorporación de un Horno de Sales que brinda la posibilidad de Austemperizar en las mismas instalaciones del IPN. Los resultados muestran que el Hierro Base fue obtenido satisfactoriamente en Laboratorios Pesados de Ingeniería Metalúrgica del IPN, al igual que el Hierro Dúctil Austemperizado (ADI) Grado 2 (según la Sociedad de Hierro dúctil-USA) con un Horno rehabilitado y puesto en funcionamiento al Servicio de la Patria.

INTRODUCCIÓN. La fundición de Hierro Dúctil previamente conocida como Hierro Nodular o

Fundición de Hierro de Grafito-Esferoidal (SG por sus siglas en inglés, el término internacional es Hierro Dúctil), es fundición de hierro en el que el grafito está presente

como diminutas esferas (nódulos) (ver Fig. 1). En el Hierro Dúctil, el grafito eutéctico es separado del hierro fundido durante la solidificación en una manera similar a ese en que el grafito eutéctico es separado en el Hierro Gris Fundido. Sin embargo, el grafito crece como esferas más bien como hojuelas de algunas de las formas características de Hierro Gris. El hierro fundido conteniendo grafito esferoidal es mucho más fuerte y tiene más alta elongación que el Hierro Gris o Hierro Maleable. Esto puede ser considerado como un compuesto natural en el que el grafito esferoidal imparte propiedades únicas al Hierro Dúctil.

La relativamente alta resistencia y dureza del Hierro Dúctil le dan una ventaja por

encima del Hierro Gris o Hierro Maleable en muchas aplicaciones estructurales. También, por que el Hierro Dúctil no requiere Tratamiento Térmico para producir nódulos de grafito (como el hierro maleable para producir nódulos de Carbono-templado), éste puede competir con Hierro Maleable incluso aunque éste requiere un tratamiento y proceso de inoculación. El rendimiento del molde es normalmente más alto que con el Hierro maleable. El Hierro Dúctil puede ser producido para estándares de rayos-x por que porosidades permanecen en el centro térmico. El Hierro Maleable no puede tolerar porosidad por que anula migración a la superficie de manchas calientes como filetes y aparece como grietas.

La obtención de un Hierro Dúctil Austemperizado depende, de inicio, de un Hierro

Dúctil como metal base de buena calidad y con características descritas más adelante, con un correcto Tratamiento Térmico que proporcione modificación y transformaciones de fase para beneficio de las propiedades mecánicas requeridas para trabajos de uso rudo generalmente.

Si bien, el Tratamiento Térmico no es muy común, las características de

infraestructura necesarios para realizarlo correctamente, permiten un rendimiento aceptable en la industria para la producción de piezas en serie, minimizando costos y aumentando eficiencia en el proceso, favoreciendo así a la productividad y ofreciendo un producto innovador a partir de Hierro Dúctil comúnmente usado en la industria.

Teniendo como base la aplicación de conocimientos Metalúrgicos en el proceso de

obtención del Hierro Dúctil Austemperizado (ADI), el presente trabajo ofrece un material avanzado que puede ser comparado con lo establecido en normas internacionales, con dificultades comunes en la industria (como la falta de equipo) y propuestas reales para la obtención de dicho material.

Contemplando principalmente dos etapas para la obtención del Hierro Dúctil

Austemperizado (ADI), que son la fundición y el tratamiento térmico, el presente trabajo describe cada uno de los pasos seguidos en los Laboratorios Pesados de Metalurgia para lograrlo de manera eficiente y con resultados obtenidos apegados a normas internacionales.

OBJETIVO. Obtener Hierro Dúctil Austemperizado (ADI) en Laboratorios

Pesados de Metalurgia del Instituto Politécnico Nacional a partir de acero 1018, al considerar los parámetros necesarios para tratar al baño metálico en Horno de Inducción, para producir Hierro Nodular Perlítico, como aleación base para un posterior Tratamiento Térmico de Austemperizado (Austempering), el cual proporcione un

material de alta resistencia mecánica a bajo costo, que a su vez, permita disminuir peso en componentes industriales en general, lo cuál reducirá el consumo de combustibles en las diferentes ramas de la producción.

CAPÍTULO I. CONSIDERACIONES TEÓRICAS.

Típicamente, la composición de Hierro Dúctil puro difiere de la del Hierro Gris o

Hierro Maleable (Tabla 1). La materia prima usada para Hierro Dúctil debe ser de muy alta pureza. Todos los Hierros Colados pueden ser fundidos en cúpulas, hornos de arco eléctricos, u hornos de inducción. El Hierro Dúctil, como un líquido, tiene alta fluidez, excelente colada, pero alta tensión de la superficie. Las arenas y equipos de moldeo usados para el Hierro Dúctil pueden proveer moldes rígidos de alta densidad y buena transferencia de calor.

Fig. A. Microestructura del Hierro Dúctil Ferrítico y Perlítico. Ref. 2. La formación de grafito durante la solidificación causa un sirviente incremento en

volumen, que puede neutralizar la pérdida en volumen debido al considerable cambio de fase líquido-a-sólido en el constituyente metálico. Las fundiciones de Hierro Dúctil típicamente requieren solamente mínimo uso de sublevaciones (depósitos en el molde que alimentan metal fundido dentro de la cavidad del molde para compensar por líquido

la contracción durante el enfriamiento y solidificación. Los Hierros Grises a menudo no requieren sublevaciones para asegurar el encogimiento fundiciones libres. Por otro lado, aceros y hierros maleables generalmente requieren fuertes sublevaciones. Así, el rendimiento del molde de fundiciones de hierro dúctil (así la proporción del peso de fundiciones utilizables al peso del metal vertido) es mucho más alta que cualquier acero o fundiciones de hierro maleable, pero no tan alta como la del hierro gris. Hay algunos casos de fundiciones de hierro dúctil siendo hechos sin sublevaciones.

Tabla 1. Composición de Hierros Colados seleccionados. Ref.14.

Tipo Composición, %

TC (a) Mn Si Cr Ni Mo Cu P S Ce Mg

Hierro Gris 3.25-3.50

0.50-0.90

1.80-2.30

0.05-0.45

0.05-0.20

0.05-0.10

0.15-0.40

0.12 máx.

0.15 máx. ---- ----

Hierro Maleable

2.45-2.55

0.35-0.55

1.40-1.50

0.04-0.07

0.05-0.30

0.03-0.10

0.03-0.40

0.03 máx.

0.05-0.07 ---- ----

Hierro Dúctil

3.60-3.80

0.15-1.00

1.80-2.80

0.03-0.07

0.05-0.20

0.01-0.10

0.15-1.00

0.03 máx.

0.002 máx.

0.005-0.20(b)

0.03-0.06

(a) TC, Carbono Total. (b) Opcional. A menudo los diseñadores deben compensar por el encogimiento de hierro colado

durante ambos solidificación y subsecuente enfriamiento a temperatura del cuarto haciendo los modelos con dimensiones más grandes que aquéllos deseados en las fundiciones acabadas. Típicamente, el hierro dúctil requiere menos compensación que algún otro metal ferroso colado. Las concesiones en las reglas del moldeador (las reglas de encogimiento) son usualmente:

Tabla 1.A. Encogimiento de diferentes tipos de metal fundido. Ref.1.

Tipo de Metal Fundido. Concesión encogimiento, % Hierro Dúctil 0-0.7 Hierro Gris 1.0

Hierro Maleable 1.0 Hierro Aleado Austenítico 1.3-1.5

Hierro Blanco 2.0 Acero al Carbono 2.0

Acero Aleado 2.5

La asignación de encogimiento puede variar un poco de los porcentajes dados arriba,

y a menudo diferentes porcentajes deben ser usados para diferentes direcciones en una fundición debido a la influencia del modelo de solidificación sobre la cantidad de contracción que toma lugar en diferentes direcciones. El encogimiento es volumétrico, y la proporción de dimensiones para volumen influencia en cada dimensión. Como el Hierro Dúctil se aproxima a una condición de porosidad de encogimiento, los nódulos de grafito tienden a alinearse y resulta en resistencia a la fatiga más baja.

Más fundiciones de Hierro Dúctil están usando piezas fundidas, pero en algunas

fundiciones, algunas coladas son tratadas térmicamente antes de enviarse. El Tratamiento Térmico varía de a cuerdo al efecto diseñado en las propiedades. Algunos Tratamientos Térmicos con excepción del Austemperizado (Austempering), reducen las propiedades de fatiga. Sosteniendo una temperatura sub-crítica (705 °C, o 1300 °F) por no más de 4 horas mejoran la resistencia a la fractura. Las piezas coladas calentadas alrededor de 700 °C (1450 °F) seguido por rápido enfriamiento (templado en aceite o templado al aire) significativamente reducen la resistencia a la fatiga y resistencia a la fractura a temperatura-cuarto-abierto. Calentando por arriba de la temperatura crítica también se reduce el contenido de Carbono Combinado de enfriamiento y

microestructura templada y producen más baja resistencia a la tensión y resistencia al desgaste que la misma dureza producida en piezas fundidas .Algunas fundiciones pueden dar tratamientos de endurecimiento (o superficie localizada o a través de endurecimiento) que produce matrices bainíticas o martensíticas.

Tabla 2. Requisitos de propiedades mecánicas estándar ASTM A 897-90 y A

897-90 de Hierro Dúctil Austemperizado. Ref. 15. Grado Tensión (min.) Cadencia (min.) Elongación Impacto (a) Dureza

MPa ksi MPa ksi % J Ft*lbf HB (c) 125-80-10 --- 125 --- 80 10 --- 75 269-321 850-550-

10 850 --- 550 --- 10 100 --- 269-321

150-100-7 --- 150 --- 100 7 --- 60 302-363 1050-700-

7 1050 --- 700 --- 7 80 --- 302-363

175-125-4 --- 175 --- 125 4 --- 45 341-444 1200-850-

4 1200 --- 850 --- 4 60 --- 341-444

200-155-1 --- 200 --- 155 1 --- 25 388-477 1400-1100-1 1400 --- 1100 --- 1 35 --- 388-477

230-185 --- 230 --- 185 (b) --- (b) 444-555 1600.-1300 1600 --- 1300 --- (b) (b) --- 444-555

(a) barras Charpy sin muesca ensayadas a 72=7°F (22=4°C). Los valores en la tabla son un

mínimo del promedio de los tres valores de ensayo más altos de cuatro muestras ensayadas. (b) Los requisitos de elongación e impacto no son especificados. Aunque grados 200-155-1, 1400-1100-1,230-185, 1600-1300 son principalmente usados para aplicaciones de revestido y resistencia al desgaste, grados 200-155-1 y 1500-1100-1 tienen aplicaciones donde algunos sacrificios en resistencia al desgaste son aceptables en orden a proveer una cantidad limitada de ductilidad y rugosidad. (c) La dureza no es obligatoria y es mostrada para información solamente.

En años recientes, un interés considerable ha sido mostrado en le mejora de

propiedades obtenidas en el Hierro Dúctil por el Tratamiento Térmico de Austemperizado (Austempering). El Hierro Dúctil Austemperizado (ADI) tiene una matriz que es una combinación de ferrita acicular (bainítica) y austenita estabilizada. Como la estructura de la matriz es progresivamente variada de la ferrita a ferrita más perlita a perlita a bainita y finalmente a martensita, dureza, resistencia y resistencia al desgaste incrementan, pero la resistencia al impacto, ductilidad y la maquinabilidad disminuyen. En conjunto, sin embargo, esta estructura resulta en una combinación excepcional de resistencia, ductilidad y resistencia al desgaste. La Tabla 2 muestra los estándares ASTM para Hierros Dúctiles Austemperizados. Algunas de las aplicaciones para Hierros Dúctiles austemperizados incluyen:

-herramientas (incluyendo de sitio y herramientas de tiempo). -Partes de resistencia al desgaste. -Aplicaciones de resistencia Alta-fatiga. -Aplicaciones de resistencia Alto-Impacto. -Cigüeñales automovilísticos. -Cadenas. -Cigüeñales de compresores de refrigeración. -Conexiones Universales. -Eslabones de cadenas. El Hierro Dúctil puede ser aleado con pequeñas cantidades de Níquel, Molibdeno o

Cobre para mejorar su resistencia y dureza. La adición de Molibdeno es hecho con cuidado a causa de la tendencia por la segregación intergranular. Adiciones más grandes

de Silicio, Cromo, Níquel o Cobre pueden ser añadidos para mejorar la resistencia a la corrosión, oxidación, o abrasión, o para aplicaciones a altas-temperaturas.

El hierro dúctil puede ser aleado con pequeñas cantidades de Níquel, Molibdeno o

Cobre para mejorar su resistencia y templabilidad. La adición de Molibdeno está bien con cuidado debido a la tendencia por segregación intercelular. Más grandes cantidades de Silicio, Cromo, Níquel o Cobre puede ser agregado para mejorar la resistencia a la corrosión, oxidación o abrasión, o para aplicaciones de altas-temperaturas.

I.1. Especificaciones. Más de las especificaciones para grados estándar de hierro dúctil están basados en

propiedades; esta es, resistencia y/o dureza y es especificado por cada grado de hierro dúctil, y la composición es cualquiera especificada libremente o hecho subordinado para propiedades mecánicas. Las tablas 3 y 4 listan composiciones, propiedades y aplicaciones típicas para más de los hierros dúctiles que son definidos por especificaciones estándares actuales (excepto para el alto-níquel, resistencia-corrosión y resistencia-calor de hierros definido en ASTM A 439). Como se muestra en la tabla 4, el sistema ASTM para designar el grado de hierro dúctil incorpora los números indicando el esfuerzo a la tensión en Ksi, esfuerzo de cedencia en Ksi, y elongación en por ciento. Éste sistema hace esto fácil para especificar grados anormales que reúnen los requerimientos generales de ASTM A 536. Por ejemplo, grado 80-60-03 (80 Ksi, o 414 MPa, esfuerzo de cedencia, y 3% elongación) es extensamente usado en aplicaciones para los cuales relativamente la alta ductilidad no es importante. Grados 65-45-12 y 60-40-18 son usados en áreas que requieren alta ductilidad y resistencia al impacto. Grados 60-42-10 y 70-50-05 son para aplicaciones especiales, por ejemplo tubo recocido o cómo-echar accesorios de tubos. Otros grados que ésos son listados en ASTM A 536 o mencionados arriba pueden ser hechos a los requerimientos generales de A 536, pero con las propiedades mecánicas especificadas por acuerdo mutuo entre el cliente y el proveedor.

La Sociedad de Ingenieros Automotores (SAE en inglés) usa un método de

especificación de hierro por coladas (piezas fundidas) producidas en grandes cantidades que es basado en la microestructura y dureza Brinell del metal en las coladas mismas.

Ambas especificaciones de ASTM y SAE son estándares para propiedades a la tensión

y de dureza. Las propiedades a la tensión son cuasi estáticas (al parecer estáticas) y pueden no indicar las propiedades dinámicas, por ejemplo resistencia al impacto o fatiga.

Tabla 3. Composiciones y usos generales para grados estándar de Hierro

Dúctil Ref. 9. Especificac

ión No. Grado o

clase UNC TC (a)

Composición Típica, % Descripción Usos Generales Si Mn P S

ASTM A 395; ASME SA395 60-40-18 F32800 3.00

min. 2.50

máx.(b) --- 0.08 máx. --- Ferrítico;

templado Partes de

contenedores a

presión usados a temperaturas

elevadas.

ASTM A 476; SAE AMS

5316C 80-60-03 F34100 3.00

min(c) 3.0 max --- 0.08

max 0.05 max Pieza fundida

Rollos de Molino

desecador de papel, a

temperaturas arriba de 230°C

(450°F).

ASTM A 536 60-40-18(d) F32800 --- --- --- --- --- Ferrítico; puede ser templado

Partes de resistencia al

choque; servicio a baja temperatura.

65-45-12(d) F33100 --- --- --- --- ---

Principalmente Ferrítico; piezas

fundidas o templado

Servicio general

80-55-06(d) F33800 --- --- --- --- --- Ferrítico/Perlíti

co; piezas fundidas

Servicio general

100-70-03(d) F34800 --- --- --- --- --- Principalmente Perlítico; puede ser normalizado

Mejor combinación de

resistencia y resistencia al

desgaste y mejor respuesta

a endurecimiento

de superficie

120-90-02(d) F36200 --- --- --- --- ---

Martensítico; enfriado en

aceite y templado

Mayor resistencia y resistencia al

desgaste

SAE J434 D4018(e) F32800 3.20-4.10

1.80-3.00

0.10-

1.00

0.015-

0.10

0.005-0.035 Ferrítico

Partes de esfuerzo

moderado esforzadas requiriendo

buena ductilidad y

maquinabilidad

D4512(e) F33100 --- --- --- --- --- Ferrítico/Perlítico

Partes de esfuerzo

moderado requiriendo

maquinabilidad moderada

D5506(e) F33800 --- --- --- --- --- Ferrítico/Perlítico

Partes altamente estresadas

requiriendo buena aspereza

D7003(e) F34800 --- --- --- --- --- Perlítico

Partes altamente estresadas

requiriendo muy buena

resistencia al desgaste y

buena respuesta al

endurecimiento selectivo

DQ & T(e) F30000 --- --- --- --- --- Martensítico

Partes altamente estresadas

requiriendo uniformidad de microestructura

y control cerrado de

propiedades SAE AMS Clase A F33101 3.0 2.50 --- 0.08 --- Ferrítico; Servicio de

5315C min. máx.(f) máx. templado bordos generales

Nota: Para propiedades mecánicas y aplicaciones típicas, ver tabla 3. (a) TC, Carbono Total. (b) El límite de Silicio

puede ser incrementado por 0.08%, arriba de 2.75 Si, para cada reducción de contenido de Fósforo de 0.01%. (c) El Carbono Equivalente (CE), 3.8-4.5; CE = TC + 3.0 (Si+P). (d) La composición secundaria a las propiedades mecánicas; rango de composición para algún elemento puede estar especificado de acuerdo entre el proveedor y el cliente. (e) Composiciones generales dadas bajo grado D4018 para referencia solamente. Típicamente, los granos producirán rangos más estrechos que aquellos mostrados y establecerán diferentes composiciones medianas para diferentes grados. (f) Para fundiciones con secciones de 13 mm (1/2 pulgada) y más pequeños, puede tener 2.75 Si máx., con 0.08 P máx.; para fundiciones con sección de 50 mm (2 pulgadas) y más grandes, CE no debe exceder 4.3.

Tabla 4. Propiedades mecánicas y aplicaciones típicas para grados estándar

de Hierro Dúctil. Ref. 9.

Especificación No.

Grado o Clase

Dureza HB(a)

Resistencia a la Tensión,

Mín.(b)

Resistencia a la Cadencia,

Mín.(b)

Elongación en 50 mm (2 pulgadas)

(min.), %(b)

Aplicaciones Típicas

MPa ksi MPa Ksi

ASTM A 395; ASME SA395 60-40-18 143-187 414 60 276 40 18

Válvulas y conexiones para

vapor y equipos de planta químicos.

ASTM A 476(c); SAE AMS 5316 80-60-03 201 min 552 80 414 60 3 Molino de rollos

secador de papel.

ASTM A 536 60-40-18 --- 414 60 276 40 18

Partes contenedores de presión así como

válvulas y cuerpos de bombas.

65-45-12 --- 448 65 310 45 12

Componentes de máquinas sujetos a golpes y cargas de

fatiga.

80-55-06 --- 552 80 379 55 6 Cigüeñales, engranes y rodillos.

100-70-03 --- 689 100 483 70 3

Engranes de alta resistencia y

componentes de máquinas.

120-90-02 --- 827 120 621 90 2 Piñones, engranes,

rodillos, y deslizables.

SAE J434 D4018 170 máx. 414 60 276 40 18 Coyuntura de dirección.

D4512 156-217 448 65 310 45 12 Frenos de disco calibrados.

D5506 187-255 552 80 379 55 6 Cigüeñales. D7003 241-302 689 100 483 70 3 Engranes.

DQ&T (c) (d) (d) (d) (d) (d) Brazo de mecedora.

SAE AMS 5315C Clase A 190 máx. 414 60 310 45 15

Equipo eléctrico, bloques de motor,

bombas, viviendas, engranes, cuerpos

de válvulas, tornillos, y cilindros.

Nota: Para composiciones, descripciones, y usos, ver Tabla 2. (a) Medido en un sitio predeterminado en la pieza

fundida. (b) Determinado usando una muestra estándar tomada de un bloque de ensayo separadamente como el juego adelante en la especificación aplicable. (c) El rango especificado por acuerdo entre el productor y el comprador. (d) El valor puede ser compatible con una dureza mínima especificada por la producción de fundiciones.

I.2. Aplicaciones del Hierro Dúctil. Las fundiciones de Hierro Dúctil son usadas para muchas aplicaciones estructurales,

particularmente ésos requieren resistencia y dureza combinados con buena

maquinabilidad y bajo costo. La selección de fundiciones, en lugar de fabricaciones mecánicas, como el proceso de producción permiten a menudo el diseño para:

- Usar para mejores ventajas la combinación de propiedades que es única

del Hierro Dúctil. - Combinar funciones varias funciones (o formas de los componentes) en

una sola configuración integrada. - Realiza las ventajas económicas inherentes a la fundición, que es los más

simples y más directos de los varios procesos de producción. La fundición es como la formación con líquido homogéneo que puede fluir

suavemente en una variedad amplia de espesores, formas y contornos. El material es consistente pieza a pieza, día después del día por que éste está hecho de un patrón que tiene muy bajo desgaste y cambio dimensional y que es producido a una especificación. La micro estructura es uniforme, con ningunas líneas de flujo direccionales ni variaciones de uniones de soldadura-zonas de calor. Cualquier porosidad es predecible y permanece en el centro térmico. Los costos de maquinado son bajos por que hay menos material para remover y para disponer de, fundiciones es más fácil maquinar, y las herramientas de corte son sujetas a menos uso de herramienta.

Propiedades únicas para el Hierro Dúctil incluyen la facilidad de tratamiento térmico

por que el Carbono Libre en la matriz puede ser re-disuelto hasta algún nivel deseado para dureza y control de resistencia. El Carbono Libre puede ser selectivamente endurecido por flama, inducción, láser o rayo de electrones. A 650 °C (1200 °F) templado por 3 horas puede producir alta dureza a bajas temperaturas. El Hierro Dúctil puede ser austemperizado para alta resistencia a la tensión, alta resistencia a la fatiga, alta dureza, y excelente resistencia al desgaste. Segundo, más baja densidad hacen al Hierro Dúctil pesado 10% menos de que el acero para el mismo tamaño de sección. Tercero, el grafito contenido provee propiedades de humedecido para manejo de herramientas calmadas. También el bajo coeficiente de fricción produce cajas de herramientas más eficientes. Además, el Hierro Dúctil tiene menos tendencia al ataque de herramientas de la pérdida de lubricante.

La experiencia ha provisto que el Hierro Dúctil trabaja en aplicaciones en que la

experiencia y los datos del manual dicen que esto no debe. Esto es por que los datos en la literatura no describen las verdaderas propiedades del Hierro Dúctil, considerando que esto es muy fácil para hacer una fundición prototipo y tratar esto en el campo. Esta práctica ha resultado en muy grandes ahorros de costos y un funcionamiento superior comparado con el material que éste reemplazó. Una fundición de Hierro Dúctil puede ser vaciada y enviada el mismo día. Las piezas coladas de Hierro Dúctil son consistentes en dimensiones y peso por que no hay distorsión o crecimiento debido al tratamiento térmico.

La industria automotriz y agrícola son los mayores usuarios de fundiciones de Hierro

Dúctil. Casi 3 x 106 toneladas (2.9 x 106 toneladas, o 3.2 x 106 toneladas) de Hierro Dúctil fueron producidas en los Estados Unidos en 1988, la mayoría de componentes siendo para aplicaciones automotrices. Por que de las ventajas económicas y alta fiabilidad, el Hierro Dúctil es usado por tales partes críticas automotrices como los cigüeñales, el huso de la rueda delantero apoyada, formas complejas de dirigir los nudillos, los calibradores de freno de disco, las bielas del motor, brazos de descanso,

ejes de ruedas, ejes de camión, partes de sistema de suspensión, yugos de transmisión de poder, aplicaciones a alta temperatura para carcasa de turbo y muchos pliegues, y válvulas de alta seguridad para muchas varias aplicaciones. Éste puede ser laminado o barrenado a una forma deseada o forjado a una dimensión exacta.

La industria de ductos de hierro fundido es otro usuario principal de Hierro Dúctil. El Hierro Dúctil Austemperizado ha resultado en muchas nuevas aplicaciones para el

Hierro Dúctil. Esto es un material de alta resistencia, resistencia al desgaste, y tratado térmicamente. Éste tiene más del doble de la resistencia del Hierro Dúctil convencional para un dado nivel de ductilidad (Fig. 3). El Hierro Dúctil Austemperizado consigue estas remarcables propiedades que pueden variar por el control del ciclo de tratamiento térmico. En el proceso de Austemperizado, un Hierro Dúctil de buena calidad puede ser transformado en un material de ingeniería. No puede transformarse un Hierro de calidad pobre a un material de buena calidad.

Fig. 3. Relación de la Resistencia a la Tensión y Elongación para varios grados de Hierro Dúctil. Ref

1. I.3. CONTROL METALÚRGICO EN LA PRODUCCIÓN DE

HIERRO DÚCTIL. Un mayor control metalúrgico y de proceso es requerido para la producción de Hierro

Dúctil que en la producción de otras fundiciones de hierro. Los ensayos químico, mecánico, y metalúrgico frecuentes son necesarios para asegurar que la calidad requerida es mantenida y que esas características técnicas se reúnen.

La manufactura de Hierro Dúctil de alta calidad empieza con la cuidadosa selección

de los materiales de carga que darán un hierro fundido relativamente puro, libre de elementos residuales indeseables algunas veces encontrados en otros hierros fundidos. Carbono, Manganeso, Silicio, Fósforo, y Azufre deben ser mantenidos en niveles específicos. Magnesio, Cerio y ciertos elementos deben ser controlados para lograr la forma del grafito deseado y compensar los efectos venenosos de elementos como Antimonio, Plomo, Titanio, Telurio, Bismuto y Zirconio, que interfieren en el proceso de nodulización deben o ser eliminados o restringidos a muy pocas concentraciones y neutralizados por adición de Cerio y/o elementos de tierras raras. Elementos de aleación como el Cromo, Níquel, Molibdeno, Cobre, Vanadio, y Boro actúan como formadores

de carburos, como estabilizadores de perlita, o como promotores de ferrita. Las aleaciones son controladas hasta el entendido necesario para obtener las propiedades mecánicas y/o microestructura en la sección crítica de la fundición.

Una reducción en el contenido de Azufre en el hierro base debajo de 0.02% es

necesario antes del proceso de nodulización (excepto con ciertos procesos de tratamiento con magnesio puro); esto puede lograrse exclusivamente por la fusión básica o por desulfuración del metal base (hoy muy comúnmente usado) antes de que la aleación nodulizante de magnesio es añadida. Si el azufre en el hierro base no es reducido, son requeridas costosas cantidades excesivas de aleación nodulizante, y más grandes cantidades de escoria y basura son generados.

I.4. Forma y Distribución de Grafito. Hay tres principales tipos de agentes nodulizantes, todos ellos contienen Magnesio: *Magnesio metálico sin aleación. *Magnesio conteniendo ferro-silicio. *Nodulizantes base Níquel. I.4.1. Magnesio metálico sin aleación ha sido añadido al hierro fundido como

alambre, lingotes, o pellets; como briquetas en combinación con hierro esponja; como pellets en combinación con cal granular; o en los poros celulares del coque metalúrgico.

I.4.2. Magnesio conteniendo Ferro-Silicio. El método de introducción de aleaciones

de magnesio ha variado desde un cucharón abierto o método de cucharón cubierto (en el que la aleación es puesta en el fondo de un cucharón que tiene una proporción de altura-a-diámetro de entre 2:1 y 1.5:1 y el hierro es vertido rápidamente encima de la aleación) a un método de zambullido, o a un método de contenedor a presión en el que el Magnesio sin alear es puesto dentro de un contenedor manteniendo el hierro fundido y el contenedor es girado hasta que el hierro fluye por encima del Magnesio. El Magnesio metálico puede también ser zambullido hasta el fondo del hierro en un cucharón a presión. En todos los casos, el Magnesio es vaporizado, y los vapores viajan a través del hierro metálico bajando el contenido de Azufre y promoviendo la formación de grafito esferoidal.

I.4.3. Nodulizantes base Níquel. Una aleación de Níquel con un 14 a 16% Mg puede

ser adicionada al cucharón durante el llenado o zambullido. La reacción es espectacular, pero no violenta, y una recuperación muy consistente es obtenida. Una desventaja queda en el aumento acompañando en Níquel y en el costo de la aleación. Otras aleaciones de Níquel contienen mucho más bajo contenido de Magnesio (por abajo a 4%) también se ha usado y ha sido involucrada una reacción más calmada.

Inoculante basado en Ferro-silicio. Es usualmente añadido al hierro nodulizado

cuando éste es transferido vertido al cucharón. Esto produce un alto contenido de nódulos y una matriz de microestructura preferida. Con el control apropiado del tiempo de agitación y temperatura, ciertas fundiciones de Hierros Dúctiles pueden reunir grado de especificación de pieza fundida más allá del tratamiento térmico. Uniformidad de dureza es lograda por la adición de elementos formadores de Perlita como el Cobre.

I.5. Ensayo e Inspección. Varios ensayos son usados para controlar el procesamiento de Hierro Dúctil. El

primero es en el análisis de materia prima y del metal fundido, ambos antes y después del tratamiento de nodulizado. Rápidos métodos de retención térmico son usados para confirmar Carbono, Silicio, y Carbono Equivalente (CE por sus siglas en inglés: Carbon Equivalence) en el hierro fundido. El Carbono Equivalente no es usado para permitir rangos de Carbono o Silicio más anchos; estos elementos todavía tienen rangos individuales que deben mantenerse. El contenido de Silicio es determinado por análisis termoeléctrico, espectrométrico químico (vía húmeda) Los ensayos de pimiento son usados para control de nucleación, indica una tendencia a la formación de carburos, y alerta el control de producción en el evento que el Silicio ha sido omitido. La temperatura del hierro fundido en el horno es medido por la inmersión de termo-coples antes del proceso de nodulización. Esto también es medido en el vertido del cucharón. El control del peso es ejercido por la cantidad de metal en tratamiento, la cantidad de aleaciones agregadas, y la cantidad de metal inoculado. El tiempo de control es usado para asegurar que todo el metal tratado es vertido dentro de un período dado, comenzando con el tratamiento de nodulización e incluyendo la inoculación. Las temperaturas de vaciado mínimas están establecidas, y cualquier hierro que no se encuentra en normas mínimas no se permite ser vaciado dentro de los moldes.

Un cupón estándar de ensayo para examinación microscópica puede ser vaciado de

cada cucharón de metal con el mismo hierro que es descrito en ASTM A 395. Una oreja del cupón de ensayo es removida y pulida para revelar la forma y distribución del grafito, también como la estructura de la matriz. Estas características son evaluadas por comparación con foto-micrografías estándar ASTM/AFS, y la aceptación o rechazo de piezas fundidas está basado en esta comparación. Muestras para ensayo de tensión son maquinadas de los bloques fundidos volteados, bloques Y, o bloques volteados modificados, como se describe en ASTM A395. Si los términos de compra requieren que las muestras de tensión sean tomadas de la fundición, la parte dibujada podría identificar el área de la fundición y el tamaño de la muestra de ensayo. Una muestra de ensayo nunca debe ser cortada de la línea central de una sección redonda, o del radio medio o tan cerca de la superficie como sea posible. Estos términos podrían ser mutuamente aceptados para fabricante y comprador.

El ensayo de dureza de producción de piezas fundidas es también usado para evaluar

conforme a las propiedades especificadas. Algunas especificaciones estándar, así como SAE J434b, relaciona resistencia y dureza, como se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4. Propiedades de tensión del Hierro Dúctil contra la dureza. Propiedades mecánicas

determinadas de muestras tomadas de un bloque de quilla. Ref 6.

Una comparación de propiedades de tensión con dureza de piezas fundidas de hierro dúctil y hierro maleable perlítico es mostrado en la Fig. 5. Estos muestran que la resistencia a la tensión de piezas fundidas de hierro dúctil es significativamente más alto que la del hierro maleable perlítico en absoluto endurecido. La elongación es más alta que la del hierro maleable perlítico templado en aceite. El hierro maleable perlítico templado al aire tiene una más alta elongación que el hierro templado en aceite por que el hierro templado en aire tiene un anillo de ferrita alrededor de los nódulos templados de Carbono. Como el hierro maleable perlítico templado en aceite está templado para bajas durezas, la elongación incrementa. Esto también es verdad en el caso de la resistencia a la fatiga, como se muestra en la Fig. 6, en el que el límite de endurecimiento de 217 HB del hierro maleable perlítico templado en aceite es más alto que el de 255 HB.

Fig. 5. Propiedades de Tensión contra Dureza para piezas fundidas de Hierro Dúctil Perlítico y dos hierros colados maleables templados, uno enfriado en aceite y el otro templado. Los datos son para 3000 kgf de carga. Ref 2.

El esfuerzo de cedencia de piezas fundidas de hierro dúctil es más bajo que el hierro

maleable templado en aceite y perlítico templado cuando la dureza está por encima de 217 HB. Esto es por que el anillo de ferrita alrededor de los nódulos de grafito muestra desplazamiento en contrapeso. La resistencia a la cedencia de piezas fundidas de hierro dúctil puede ser incrementada a como alto o más alto que el esfuerzo de cedencia del hierro maleable perlítico templado y templado en aceite, y la dureza puede ser tan alta, pero la resistencia ala tensión y elongación será significativamente más baja. La resistencia a la fatiga será más baja, también, como se muestra en la Fig. 6. Cuando el hierro dúctil es calentado a 900 °C (1650 °F), enfriado en aceite, y templado, el pico de Carbono combinado entre los nódulos de grafito es reducido y extendido fuera de los nódulos, entonces elimina el anillo de ferrita. Una pérdida en la resistencia al desgaste es experimentado, debido al más bajo contenido de Carbono combinado en la misma dureza como las piezas fundidas de hierro. El fabricante y el comprador deben estar de acuerdo en una situación conveniente, usualmente indicado en la parte dibujada, para ensayo de dureza. La preparación de la superficie debe hacerse cuidadosamente, y la fundición debe ser enfriada antes de que sea dentado con la bola de carburo de tungsteno de 10-mm en una máquina calibrada regularmente. Un anillo de muestra es usado para checar la carga de la máquina de 30 kN (3000 Kgf), y un micrómetro representativo es usado para checar la calibración del alcance Brinell. Un valor de dureza puede ser listado como un diámetro de identación Brinell (BID por sus siglas en inglés, Brinell Identation Diameter) o número de dureza Brinell (HB, por sus siglas en inglés, Brinell Hardeness number. Otros métodos de medición de dureza con pequeños identadores, tiene variaciones debido al área pequeña de identación que contiene suaves nódulos de grafito. Técnicas electromagnéticas pueden ser usadas para el ensayo de dureza de las formas simples de piezas fundidas, así como cigüeñales.

Fig. 6. Resumen de vida de fatiga para Hierros Dúctiles y hierros maleables y un grado de acero fundido. Ref. 2.

La verificación de nodularidad en las fundiciones puede ser obtenida usando métodos

de ultrasonido que miden la velocidad del sonido a través de la sección que está siendo ensayada. Varías compañías tienen instalado sistemas en línea para verificar la nodularidad, particularmente en componentes automotrices como calibradores de freno y nudillos de conducir. Los métodos de decaimiento sónico y frecuencia de resonancia también son usados.

I. 6. TRATAMIENTO TÉRMICO. El tratamiento térmico de las piezas fundidas de hierro dúctil produce una

significativa diferencia en las propiedades mecánicas de una pieza fundida de hierro dúctil. El resultado beneficioso hierro dúctil tratado térmicamente es el incremento de la resistencia al impacto si la temperatura está restringida a 705 °C (1300 °F) y el tiempo es limitado a 4 horas. Otras formas más de tratamiento térmico, con excepción del Austempering, causa una pérdida en la resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste, y resistencia al impacto a temperatura del cuarto, comparado con piezas fundidas de hierro dúctil de la misma dureza.

I.6.1. Relevado de Esfuerzos. Ocasionalmente las fundiciones de hierro dúctil de

gran sección transversal están relevadas de esfuerzos a 540 hasta 595 °C (1000 hasta 1100 °F), que reduce torceduras y distorsión durante el maquinado subsecuente. Las propiedades mecánicas son reducidas si la temperatura seleccionada causa una reducción en la dureza.

I.6.2. Templado. El templado lleno ferritizante es usado para remover carburos o perlita estabilizada para encontrarse en requisitos ASTM grado 60-40-18.Este tratamiento térmico usualmente involucra calentamiento hasta 900 °C (1650 °F), manteniendo en la temperatura bastante tiempo suficiente para disolver los carburos (posiblemente arriba de 3 horas), entonces lento enfriamiento a 85 °C/hora (150 °F/hora) a 705 °C (1300 °F) y hasta enfriar al aire a temperatura ambiente. Este temple hipercrítico baja la temperatura de transición de nula-ductilidad (NDTT por sus siglas en inglés, nil-ductility transition temperature) para mejorar la resistencia a la fractura a baja temperatura, pero resulta en un más bajo estante-superior energía de impacto y significante reducción en resistencia a la fatiga. En algunos casos, esto puede reducir la resistencia a la tensión y/o cedencia a niveles por debajo de los estándares ASTM. La temperatura de transición de nula-ductilidad es la temperatura a la que el material transforma de una parcialmente ductilidad hasta un material totalmente quebradizo con ninguna ductilidad.

El templado sub-crítico produce cualquier grado ASTM 60-40-18 o grado 65-45-12

para aplicaciones requiriendo alta resistencia y ductilidad. Esto produce más grande resistencia a la fractura a baja temperatura que piezas fundidas de hierro dúctil usado para más grande resistencia a la fractura a bajas temperaturas que las piezas fundidas de hierro dúctil usado para aplicaciones de nudillos de conducir.

I.6.3. El Normalizado, enfriamiento, y templado produce grados ASTM 100-70-03,

que es ampliamente usado para aplicaciones requiriendo buena resistencia, resistencia al desgaste, y buena respuesta a endurecimiento localizado. Las piezas fundidas son calentadas hasta 900 °C (1650 °F), mantenidas a la temperatura por 3 horas (permitiendo 1 hora/milímetro, o 1hora/pulgada), de tamaño de sección hasta alcanzar la temperatura), entonces destruido al aire o enfriado en aceite, seguido por templado a 540 °C (1000 °F) o arriba de 675 °C (1250 °F), dependiendo de la dureza final requerida. El esfuerzo de cedencia puede ser más alto que las piezas fundidas de hierro para la misma dureza., pero la resistencia última a la tensión y elongación será más baja. La resistencia al desgaste en 228 HB (4.1 BID) será más baja que las piezas fundidas de hierro de la misma dureza. A 255 HB (3.8 BID), la resistencia la fatiga a corto tiempo (350 000 ciclos) de D7003 enfriado en aceite y templado (OQT por sus siglas en inglés, Oil Quenched and Tempered) puede aparecer hasta ser ligeramente más alta, pero la larga vida (106 ciclos) será significativamente más baja que la de piezas fundidas de hierro.

A 217 HB (4.1 BID), ambos, el tiempo corto y el tiempo largo de resistencia a la

fatiga es significativamente más baja. Esto se muestra en la Fig. 5. La resistencia al impacto del Hierro Dúctil enfriado en aceite y templado es más bajo que las piezas fundidas de hierro a 50 °C (125 °F) y anteriormente, pero más alto a temperaturas por debajo de 45 °C (110 °F) (ver Fig. 7).

Fig. 7. Energía dinámica de desgarre contra temperatura para piezas fundidas de Hierro Dúctil y

tratado térmicamente. Tamaño de muestra: 190mm (7 1/2 pulgadas) de largo, 130mm (5 1/8 pulgadas) de ancho, y 41mm (1 5/8 pulgada) de espesor; 13mm (1/2 pulgada) de profundidad de muesca. Ref. 2.

El Hierro Dúctil Martensítico grado ASTM 120-90-02 es producido por calentamiento

hasta 900 °C (1650 °F), mantenido para homogeneizar, enfriado en aceite agitado, y templado a 510 hasta 565 °C (950 hasta 1050 °F).

El Hierro Dúctil Austemperizado requiere tratamiento térmico de dos pasos. El primer

paso, el Austenitizado, requiere calentamiento y permanencia alrededor de 900 °C. Esto es seguido por el segundo paso, que requiere enfriamiento y permanencia isotérmicamente a la temperatura de Austemperizado requerida, usualmente en un baño de sales.

Típicamente el Hierro Dúctil Austemperizado es producido por calentamiento de las

piezas fundidas en una atmósfera controlada a una temperatura de austenitizado entre 815 hasta 925 °C (1500 hasta 1700 °F). Las piezas fundidas son mantenidas a temperatura por un largo tiempo bastante para saturar la Austerita con Carbono en solución. Las piezas fundidas son entonces enfriadas en una proporción suficientemente rápida bastante para evitar la formación de Perlita y otros productos de transformación a alta temperatura hasta la apropiada temperatura de transformación (ésta puede variar desde 230 hasta 400 °C, o 450 hasta 750 °F, dependiendo de la dureza y resistencia requerida). Las piezas fundidas son mantenidas en la temperatura de transformación seleccionada por un largo tiempo bastante para producir las propiedades deseadas. El Hierro Dúctil Austemperizado transformado en la proporción de 370 °C (700 °F) exhibe alta ductilidad y resistencia al impacto en una resistencia a la tensión alrededor de 1035 MPa (150 Ksi). Cuando es transformada a 260 °F (500 °F) éste exhibe resistencia al desgaste comparable con el caso del acero endurecido y resistencia a la tensión en exceso de 1380 MPa (200 Ksi).

Así, la selección de la temperatura de Austemperizado y el tiempo de permanencia

son críticos. En general, la proporción de Austemperizado en los 240 hasta 270 °C (465 hasta 520 °F) provee un componente que tiene resistencia máxima pero limitada ductilidad, mientras la proporción de austemperizado en los 360 hasta 380 °C (680 hasta

715 °F) proporciona un componente que exhibe máxima ductilidad y resistencia, en combinación con relativamente alta resistencia, aunque más bajo que el que se obtiene en la temperatura de austemperizado más baja (ver Fig. 8). La Figura 9 compara la resistencia y ductilidad de piezas fundidas de hierro nodular y de hierros nodulares sujetos al tratamiento térmico de Austemperizado.

Fig. 8. Relación entre Temperatura de Austemperizado y la resistencia y ductilidad de un Hierro Dúctil

aleado 1.5Ni-0.3Mo. La temperatura de Austemperizado fue 900°C (1650°F). Ref. 3. Fig. 9. Rangos de resistencia y ductilidad de piezas fundidas de Hierro Dúctil y tratadas térmicamente. Ref. 4.

El típico Diagrama TTT para el tratamiento térmico de Austemperizado ideal es el mostrado en la Fig. 10.

Fig. 10. Diagrama TTT (Temperatura (°C)-Tiempo (hrs)-Tranformación (Fases)) para Hierro

Dúctil Austemperizado. Ref.14. I. 7. Endurecimiento Superficial. El Hierro Nodular puede ser endurecido superficialmente tan alto como 60 HRC que

puede tener una micro-dureza de 62 HRC, por que el identador cónico promedia los suaves nódulos de grafito que endurece a la matriz resultando en una lectura más baja que los actuales componentes metálicos de la matriz. La zona producida crea una superficie altamente resistente al desgaste, la capa apoyada por el centro del metal más duro. Métodos de flama o inducción pueden ser usados para calentar la capa de la superficie alrededor de 900 °C (1650 °F) por unos cuantos segundos, después de que la superficie calentada es enfriada en un rocío o agua (que también contiene un poco porcentaje de un soluble que ayuda al enfriamiento-agua). La superficie endurecida es más exitosamente cuando la matriz está llena de Perlita y así grados ASTM 100-7-03 y 120-90-02 responden mejor. Sin embargo, piezas fundidas endurecidas tan bajo como 217 HB (4.1 BID) pueden ser exitosamente de endurecimiento superficial.

I. 8. Propiedades Mecánicas. Más de las especificaciones estándar para Hierro Dúctil requieren mínima resistencia

y ductilidad como es determinado por el uso de piezas separadas, barras de ensayo estándar ASTM descritos en ASTM A 395. Los varios límites de especificación tienen que ser establecidos por la evaluación de los resultados de cientos de estas barras de

ensayo. Las propiedades de estas barras de ensayo son aproximaciones útiles de las propiedades de piezas fundidas terminadas. Las propiedades de barras de ensayo también hacen posible comparar el metal de muchos lotes diferentes sin tener que considerar a las variaciones debido a diferencias en las formas siendo fundidas o en las prácticas de producción usadas en diferentes fundiciones.

Las barras de ensayo son maquinadas desde bloques de quilla, bloques “Y”, o quilla

modificadas (ver ASTM A 395 para detalles y dimensiones). Estos bloques de ensayo son diseñados para alimentación ideal de cabezas de metal fundido pesado por encima del molde y por enfriamiento controlado en grados óptimos. En la práctica, estas características pueden ser económicamente factibles o puede imposible para lograr dependiendo de la configuración de la pieza fundida. Como resultado, las propiedades de piezas fundidas actuales pueden diferir de aquellas de barras de ensayo fundidas del mismo calentamiento de metal fundido, un hecho que es a veces pasado por alto. Las propiedades de las barras de ensayo son las más informativas cuando se les relaciona a las propiedades de piezas fundidas de producción que han sido previamente establecidas por los ensayos de barras maquinadas desde piezas fundidas, por la sobrecarga selectiva de fundiciones, por ensayos de tensión, o por la comprobación de campo. Las barras de ensayo de piezas fundidas a casi dimensiones de ensayo pueden atarse a las fundiciones y removido por maquinado y ensayo. Las propiedades dinámicas como la resistencia al impacto y resistencia a la fatiga pueden ser ensayadas por rotura dinámica de la fundición y muestras de barra de torcimiento de rotura-reversible. La Figura 11 muestra la apariencia de la fractura frágil de una muestra de rotura dinámica.

Fig. 11. Fractografía mostrando la fractura frágil de una muestra de Hierro Dúctil de desgarre

dinámico Ref.10. I.9. EFECTO DE LA COMPOSICIÓN. Las propiedades del Hierro Dúctil dependen primero de la composición. La

composición podría ser uniforme dentro de cada pieza fundida y entre todas las piezas fundidas coladas de la misma fundición. Muchos elementos influencian las propiedades

de las piezas fundidas, pero aquellos de mayor importancia son los elementos que ejercen una poderosa influencia en la estructura de la matriz o en la forma o distribución de los nódulos de grafito.

El Carbono influencia la fluidez del hierro fundido y las características de contracción

del metal fundido. El exceso de Carbono no en solución, sino en suspensión, reduce la fluidez.

El volumen de grafito es 3.5 veces el volumen de hierro. Como el Hierro Dúctil

solidifica, el Carbono en solución precipita afuera como grafito y causa una expansión del hierro, que puede compensar la contracción del hierro cuando éste enfría de líquido a sólido. La cantidad de Carbono necesaria para compensar la contracción y la porosidad está indicada en la siguiente fórmula:

%C + 1/7 %Si ≥ 3.9% (Ec. 1)

Contenidos de Carbono más grandes que esta cantidad empiezan a disminuir la

resistencia a la fatiga y resistencia al impacto antes de que el efecto sea notado en la resistencia a la tensión. El tamaño y el número de nódulos de grafito formados durante la solidificación son influenciados por la cantidad de Carbono, el número de núcleos de grafito y la opción de la práctica de inoculación. Un Hierro Dúctil normal tiene un contenido de grafito de 10% menos en peso que el acero del mismo tamaño de sección. El grafito también provee lubricidad para deslizar en fricción, y el bajo coeficiente de fricción permite mayor flujo de engranaje eficientemente, que, además, no agarrará si una pérdida de lubricante es experimentada en servicio. El grafito también produce engranes de ADI que son silenciosos en operación. El grafito en la estructura puede proveer buena maquinabilidad de un material ferrítico y entonces estar disponible para re-disolver dentro de la solución por tratamiento térmico para producir alta resistencia y resistencia al desgaste.

La relación entre contenido de Carbono y contenido de Silicio en términos del

Carbono Equivalente (CE, por sus siglas en inglés: Carbon Equivalent), es:

CE = %C + (%Si/3) (Ec. 2) La Figura 12 es un plano del Carbono Equivalente contra el Volumen del Metal

Requerido.

Fig. 12. Plano de Carbono Equivalente contra metal alimentado requerido de Hierro Dúctil. Ref. 5.

Un análisis químico para el contenido del Carbono podría ser hecho para alguna información del grafito. Después de la formación de grafito, la capacidad para obtener un contenido de Carbono preciso es limitada debido a la pérdida de Carbono en la preparación de la muestra o, en algunos casos debido a la segregación.

El Silicio (Ref. 6) es un poderoso agente grafitizante. Dentro de los límites normales

de composición, incrementando cantidades e Silicio promueve estructuras que tienen progresivamente más grandes cantidades de ferrita (α); además, el Silicio contribuye a la solución de ferrita endurecida y reforzada. Incrementando la cantidad de ferrita se reduce el esfuerzo de cadencia y resistencia a la tensión, pero se incrementa la elongación y la resistencia al impacto. La ferrita cubre los alrededores de los nódulos de grafito en el Hierro Dúctil Perlítico reduce el esfuerzo de cadencia indicado, pero incrementa la elongación, resistencia al impacto y resistencia a la fatiga. El Silicio reduce la resistencia al impacto del Hierro Dúctil Ferrítico ambas piezas fundidas y templados sub.-críticamente. Para proveer máxima resistencia a la fractura desde bajo temperatura ambiente -40°C (-40°F), el Silicio debe ser mantenido por debajo de 2.75% si el contenido de Fósforo está por debajo de 0.02%. Si el contenido de Fósforo es 0.05% el contenido de Silicio debería estar limitado hasta 2.55%. Aplicaciones a alta temperatura así como albergue de turbo-corceles requieren contenidos de Silicio desde 3.75 hasta 4.25% y contenidos de Molibdeno arriba hasta 0.70%. Esta combinación provee resistencia a la oxidación a alta temperatura y estabilidad dimensional. Igual altos contenidos de Silicio son usados para resistencia a la abrasión.

Manganeso (Ref. 7). Entre los elementos de aleación comúnmente usados para

mejorar las propiedades mecánicas del Hierro Dúctil, el Manganeso actúa como un estabilizador de Perlita e incrementa la resistencia, pero reduce la ductilidad y maquinabilidad. Éste también promueve segregación hasta los límites de grano y debe ser limitado al hacer Hierro Dúctil Austemperizado.

El Níquel (Ref. 7) es frecuentemente usado para incrementar la resistencia por

promover la formación de Perlita fina y a incrementar la dureza, especialmente para aplicaciones de endurecimiento superficial o para producción de Hierro Dúctil Austemperizado.

El Cobre (Ref. 7) es usado como un formador de Perlita para alta resistencia con

buena dureza y maquinabilidad. El Molibdeno (Ref. 7) es usado para estabilizar la estructura a temperaturas elevadas.

Éste también es usado para agregar dureza a secciones gruesas en la producción de Hierro Dúctil Austemperizado. La cantidad debe ser controlada debido a la tendencia del Molibdeno para segregar a los límites de grano como carburos estables.

I.10. EFECTO DE LA FORMA DEL GRAFITO. La presencia del grafito en piezas fundidas de Hierro Dúctil en la forma de nódulos

esferoidales en cambio de la forma de hojuelas así como las que se encuentran en piezas fundidas de Hierro Gris es causado por la adición de Magnesio (o Magnesio y Cerio) al hierro fundido., resultando en un incremento quíntuplo o séptuplo en la resistencia del metal fundido. Las formas que son intermedias entre una forma nodular verdadera (como en tipo ASTM 1, mostrado en la Fig. 13) y una forma de hojuela (como en tipo

VII ASTM, también mostrada en la Fig. 13) rinde propiedades mecánicas que son inferiores a las del hierro con un verdadero grafito nodular. El tamaño y uniformidad de la distribución de los nódulos de grafito también influencia las propiedades, pero a un grado menor que el grafito nodular. Pequeño, numerosos nódulos son usualmente acompañados por altas propiedades de tensión y tienden a reducir la probabilidad de la formación de hierro enfriado en secciones delgadas o a los bordes. Existe un una óptima densidad de nódulos. Nódulos excesivos pueden debilitar una pieza fundida hasta un grado que éste no podría resistir los rigores de su aplicación pensada. Cada material debe ser evaluado para su aplicación específica.

Fig. 13. Siete formas de grafito para clasificar hierros fundidos.

Tabla 5. Propiedades mecánicas y aplicaciones típicas para grados estándar de Hierro Dúctil. Ref. 17.

(a) Como se define en ASTM A 247. (b) Como se define en ISO/R 945-1969 (E). (c) Dividido en cuatro

subtipos; agrupación de roseta, tamaño de hojuela sobrepuesto, interdendrítico, orientación aleatoria; y orientación preferida, ínter dendrítica.

Una composición de Hierro Dúctil puede ser convertida a una composición de hierro de grafito compactado. Menores alteraciones en la composición producen una microestructura controlada consistente de más de 5% esferoidal y menos que 20% grafito esferoidal, con el resto del grafito siendo compactado, embotado, forma vermicular. Esto entonces se vuelve hierro de grafito compactado (CG, por sus siglas en inglés: Compacted Graphite), que tiene resistencia más baja que el Hierro Dúctil estándar y más alta resistencia que el Hierro Gris, pero que tiene mejores características de transferencia térmica y menor tendencia por porosidad que el Hierro Dúctil estándar.

ASTM Tipo (a)

Equivalente ISO

Forma (b) Descripción ASTM

Tipo (c)

Equivalente ISO

Forma (b) Descripción

I VI Grafito nodular (esferoidal) IV III Grafito cuasi-

hojuela

II VI Grafito nodular esferoidal, formado imperfectamente.

V II Grafito forma-cangrejo

VI V Tipo de nódulos

irregulares o abiertos

III IV Carbono agregado o templado VII(c) I Grafito en

hojuelas

CAPÍTULO II. DESARROLLO EXPERIMENTAL. ETAPA 1. FUNDICIÓN.

Equipos y Materiales empleados. Para la etapa de Fundición se utilizó: -Horno Eléctrico de Inducción sin núcleo: -Arena para Moldeo en Verde. -Caja de moldeo (macho y hembra). -Máquina de moldeo semiautomático. -Polvo separador. -Cuchara de moldeo. -Crisol de grafito. -Camisa para molde. -Modelo en placa. -Refractario básico para recubrimiento de las paredes del Horno Eléctrico de

Inducción sin núcleo. -Dispositivo de grafito en forma de campana (innovación para el proceso de

Nodulización). -Equipo de seguridad para protección personal durante la etapa de fundición. Para la etapa de Tratamiento Térmico de Austemperizado se utilizó: -Mufla para tratamiento de Austenización. -Horno de Sales para Austemperizado. -Pinzas metálicas. -Lentes protectores. -Guantes aluminizados. -Resistencia para el Horno de Sales. -Termopar y controlador para el Horno de Sales. Refractario para el recubrimiento de las paredes del Horno de Sales. El proceso para la Producción del Hierro Dúctil Austemperizado (Austempered Dúctil

Iron-ADI) es mostrado en la Fig. A, en donde se describe la materia prima como punto de inicio, la etapa 1, que corresponde a la Fundición del Hierro Base con sus respectivos tratamientos al baño metálico para controlar su composición química y adecuarlo para obtener un Hiero Dúctil o Nodular que posteriormente, es tratado térmicamente en etapa 2, con temperaturas y tiempos adecuados para lograr el ADI.

Fue necesario utilizar para el Tratamiento Isotérmico de Austemperizado (etapa del

Tratamiento Térmico de Austemperizado donde, se mantiene la temperatura después de un enfriamiento en un medio líquido) un horno de sales, por lo que se incorporó un Horno de Revenido antiguo con adaptaciones para tener un baño de sales o de Plomo que favoreciera a la transformación de la Fase Ausferrita.

Fig. A. Diagrama experimental de la Producción de Hierro Dúctil Austemperizado (Austempered Dúctil Iron-ADI).

1º Experimentación.

La primera fundición se realizó en un Horno Eléctrico de Inducción sin núcleo, con

capacidad máxima de 15 kg en los Laboratorios Pesados de Ingeniería Metalúrgica de la E.S.I.Q.I.E. del IPN, como se muestra en las Figuras F1A y F1B.

Fig. F1A. Horno de Inducción con carga de 10 kg. Fig. F1B. Diagrama del Horno de Inducción.

Durante la fusión se realizaron los procesos de Desfosforación, Desoxidación, Carburación, Desulfuración, Inoculación y Nodulización, utilizando para éste último una campana adaptada como se muestra en la Fig. F1C.

Fig. F1C. Dispositivo Elaborado a base de grafito en forma de campana para el proceso de

Nodulización.

El Balance de Materia utilizado para realizar esta fundición fue el siguiente, considerando una carga de 10 kg:

1.- Desfosforación. Wcarga=10Kg %P inicial = 0.0350% %P deseado = 0.02% %Escoria de Fusión = 1.5% con respecto al Wcarga.

%P diferencia = %P inicial - %P deseado =0.0350% – 0.02% = 0.0150%

WP = ((%P diferencia/100)*Wcarga )*(1000g/1 Kg) WP = ((0.0150%/100%)*10kg )*(1000g/1 kg)

WP = 1.5g 62 g/mol 360g/mol

2P + 5FeO + CaO = P2O3*CaO + 5Fe (WP=1.5g)

WFeO = (WP*360g/mol)/ 62 g/mol WFeO = (1.5g*360g/mol)/ 62 g/mol

WFeO = 8.7096g

WCaO = WFeO = 8.7096g

WCaF2 = WFeO + WCaO CaF2 = 8.7096g + 8.7096g

CaF2= 17.4193g

Escoria Desfosforante = WFeO + WCaO + WCaF2

Escoria Desfosforante (que reacciona) = 2WFeO + (2WFeO * 12%) = 2(8.7096g) + ((2*8.7096g)*0.12)

Escoria Desfosforante (que reacciona) = 19.5096g

Escoria Desfosforante (Real) = (((%Escoria de Fusión*Wcarga)/100)*(100g/1kg)) = (((1.5%*10kg)/100)*(100g/1kg))

Escoria Desfosforante (Real) = 150g

WCaF2 =(%Escoria Desfosforante Real*12%) = (150g*0.12) WCaF2 = 18g

WFeO = (%Escoria Desfosforante Real – WCaF2)/2

= (150g – 18g)/2 WFeO = 66g

WCaO = WFeO = 66g

2.- Desoxidación. %Al que reacciona = 0.1%

WAl = (%Al Reacciona*Wcarga/100%)*(1000g/1kg) = (0.1%*10kg/100%)*(1000g/1kg)

WAl = 10g 3.- Carburación. %Cdeseado = 3.8% %Cinicial = 0.10% %eficiencia = 80% %Ccontenido = 95%

%Cdiferencia = %Cinicial - %Cdeseado = 0.10% - 3.8%

%Cdiferencia = 3.70%

WC = [((%Cdiferencia*Wcarga)/100%)/(%eficiencia/100%)]/(%Ccontenido/100%) = [((3.70%*10kg)/100%)/(80%/100%)]/(95%/100%)

WC = 486.84g 4.- Desulfuración. %Sinicial = 0.035% %Sdeseado = 0.018% %Sadicionado = 1.5%

WS = ([(%Sinicial -%Sdeseado)/100%]*Wcarga)*(1000kg/1kg) = ([(0.035% - 0.018%)/100%]*10kg)*(1000kg/1kg)

WS = 1.7g 32g/mol 56g/mol 56g/mol

S + Fe + CaO = CaS + FeO (WS = 1.7g)

WCaO = (WS*WCaO)/32g!mol = (1.7g*56g/mol)/32g!mol

WCaO = 2.975g (Qué reacciona)

Escoria Desulfurante (real) = [(%Sadicionado * Wcarga)/100%]*(1000g/1kg) = [(1.5%*10kg)/100%]*(1000g/1kg) Escoria Desulfurante (Real)= 150g

WCaF2 = Escoria Desulfurante (Real)*12%

= 150g*0.12

WCaF2 = 18g

WCaO = Escoria Desulfurante (Real) - WCaF2 = 150g – 18g WCaO = 132g

5.- Inoculación. %Fe-Si adicionado = 2% %eficiencia = 80% %Fe Si contenido = 75%

WFe-Si = [((%Fe-Si adicionado*Wcarga)/100%)*(1000g/1kg)]/(%eficiencia/100%) = [((2%*10kg)/100%)*(1000g/1kg)]/(80%/100%)

WFe-Si = 333.33g 6.- Nodulización. (Noduloy) %Fe-Si-Mg = 1.4%

WNoduloy = ((%Fe-Si-Mg*Wcarga)/100%)*(1000g/1kg) = ((1.4%*10kg)/100%)*(1000g/1kg)

WNoduloy = 140g La primera experimentación y los tratamientos realizados en el baño metálico antes

del vaciado son descritos con la siguiente bitácora, a una temperatura de vaciado de 1542°C.

HORA DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

16:09 Inició el funcionamiento del sistema de extracción de gases. 16:10 Inició el funcionamiento de la bomba de agua. 16:12 Energizar el panel de control. 16:13 Energizar el motogenerador.

16:13 Agregar el material de carga al crisol del Horno (trabajando a 380 Volts y 50 Amperes).

16:19 Preparación de arena de moldeo. 16:39 Se puso a calentar el crisol con manguera. 16:41 Se apagó el calentamiento del crisol del Horno. 16:43 Acomodado del crisol con tabiques en el Horno de gas. 16:44 Se pone a calentar el crisol. 16:45 Se empezó a hacer el molde. 16:54 El metal listo para fundirse. 16:58 Se energiza el pirómetro. 16:59 Entrega de equipo de seguridad. 17:08 Se puso a calentar el molde. 17:14 El metal alcanzó la temperatura de fusión y pasó al estado líquido. 17:17 Se vacío metal en exceso. 17:18 Controlando el horno en el panel y el motogenerador.

17:20 Se midió la primera temperatura a 1615ºC 17:22 Se midió la segunda temperatura a 1570ºC 17:23 Se agregó escoria desfosforante. 17:24 Se esperaron 9 minutos de reacción.

17:29 Se le agregó una parte de la barra de acero 1018 con la que se estaba moviendo (se esperaron 9 minutos de reacción).

17:34 Se agregó descorificante y se retiró la escoria. 17:35 Se terminó de retirar la escoria. 17:36 Se obtuvo la muestra #1 para análisis químico. 17:38 Se realizó la tercera medición de temperatura a 1648ºC. 17:39 Se desoxidó con Aluminio. 17:40 Se agregó primera parte de Grafito en polvo para Carburar. 17:41 Se agregó segunda parte de grafito en polvo para Carburar. 17:49 Se movió el baño para disolver el C. 17:51 Siguió agregándose grafito. 17:51 Se continuó moviendo el baño metálico. 17:52 Se siguió agregando grafito. 17:53 Se siguió moviendo el baño. 18:06 Se esperaron 3 minutos de reacción. 18:09 Obtención de muestra metalográfica fallida por que se rompió el refractario. 18:10 Se obtuvo la muestra #2 para metalografía. 18:11 Se midó por cuarta ocasión la temperatura. 18:12 Se agregó la escoria desulfurante. 18:13 Se esperaron 9 minutos de reacción. 18:22 Se agregó desescoriador y se retiró la escoria. 18:23 Se obtuvo muestra #3 para análisis químico. 18:24 Se realizó la 5ª medición de temperatura a 1678ºC. 18:27 Se midió por 6ª ocasión la temperatura a 1590ºC. 18:28 Séptima medición de temperatura a 1542ºC, temperatura de vaciado alcanzada. 18:31 Se vació en olla con Ferro-Silicio 18:31 Se introdujo campana con Noduloy y reaccionó durante 59 segundos. 18:32 Se obtuvo última muestra para metalografía y se vació en molde. 18:34 Se limpió la olla. 18:37 Se desenergizó el Panel de Control del Horno.

Como se describe en la bitácora, la adición del grafito en forma de polvo produjo

pérdidas de metal fundido y del mismo grafito al reaccionar de manera un poco violenta y brincar hacia la parte trasera del Horno de Inducción sin tener consecuencias graves, así como el vaciado que se realizó en un molde de arena en verde abierto, sin sistema de alimentación, como se muestra en la Fig. F1D.

Fig. F1D. Molde de arena en verde abierto.

2º Experimentación Durante la segunda experimentación se repitió básicamente el mismo procedimiento

utilizado la primera vez, sin embargo, cuatro variantes fueron las utilizadas para esta ocasión.

La primera fue la incorporación de Cu dentro de la olla de reacción junto con el Fe-Si

con el objetivo de favorecer una matriz Perlítica que es requerida para efectuar el posterior tratamiento isotérmico de Austemperizado.

La segunda modificación fue la adición de una mayor cantidad de Fe-Si que ayudó a

evitar la formación de carburos que la vez pasada se presentaron en el metal obtenido. La tercera variación se trató con la adición de Carbo-Coque que evitó que el grafito saliera volando por su presentación en polvo como en la experimentación pasada.

Por último, la colada del hierro se realizó en un molde de arena en verde cerrado con

el fin de descartar la formación de carburos debido a un templado a temperatura ambiente, obteniéndose cuatro probetas redondas de tensión como se puede observar en las Figs. F2A y F2B.

Fig. F2A. Inicio de fusión con la carga de 8 kg en el Horno de Inducción. Fig. F2B. Molde de arena en verde cerrado.

El Balance de Materia utilizado para la segunda experimentación con adición de Cobre (Cu) fue el siguiente:

1.- Desfosforación. Wcarga=8Kg %P inicial = 0.0350% %P deseado = 0.02% %Escoria de Fusión = 1.5%

%P diferencia = %P inicial - %P deseado =0.0350% – 0.02% = 0.0150%

WP = ((%P diferencia/100)*Wcarga )*(1000g/1 Kg) WP = ((0.0150%/100%)*8kg )*(1000g/1 kg)

WP = 1.2g 62 g/mol 360g/mol

2P + 5FeO + CaO = P2O3*CaO + 5Fe (WP=1.2g)

WFeO = (WP*360g/mol)/ 62 g/mol WFeO = (1.2g*360g/mol)/ 62 g/mol

WFeO = 6.9677g

WCaO = WFeO = 6.9677g

WCaF2 = WFeO + WCaO CaF2 = 6.9677g + 6.9677g

CaF2= 13.9355g

Escoria Desfosforante = WFeO + WCaO + WCaF2

Escoria Desfosforante (que reacciona) = 2WFeO + (2WFeO * 12%) = 2(6.9677g) + ((2*6.9677g)*0.12)

Escoria Desfosforante (que reacciona) = 15.6077g

Escoria Desfosforante (Real) = (((%Escoria de Fusión*Wcarga)/100)*(100g/1kg)) = (((1.5%*8kg)/100)*(100g/1kg))

Escoria Desfosforante (Real) = 120g

WCaF2 =(%Escoria Desfosforante Real*12%) = (120g*0.12) WCaF2 = 14.4g

WFeO = (%Escoria Desfosforante Real – WCaF2)/2

= (120g – 18g)/2 WFeO = 52.8g

WCaO = WFeO = 52.8g

2.- Desoxidación. %Al que reacciona = 0.1%

WAl = (%Al Reacciona*Wcarga/100%)*(1000g/1kg) = (0.1%*8kg/100%)*(1000g/1kg)

WAl = 8g 3.- Carburación. %Cdeseado = 3.8% %Cinicial = 0.10% %eficiencia = 80% %Ccontenido = 95%

%Cdiferencia = %Cinicial - %Cdeseado = 0.10% - 3.8%

%Cdiferencia = 3.70%

WC = [((%Cdiferencia*Wcarga)/100%)/(%eficiencia/100%)]/(%Ccontenido/100%) = [((3.70%*8kg)/100%)/(80%/100%)]/(95%/100%)

WC = 389.47g 4.- Desulfuración. %Sinicial = 0.035% %Sdeseado = 0.018% %Sadicionado = 1.5%

WS = ([(%Sinicial -%Sdeseado)/100%]*Wcarga)*(1000kg/1kg) = ([(0.035% - 0.018%)/100%]*8kg)*(1000kg/1kg)

WS = 1.36g 32g/mol 56g/mol 56g/mol

S + Fe + CaO = CaS + FeO (WS = 1.36g)

WCaO = (WS*WCaO)/32g/mol = (1367g*56g/mol)/32g/mol

WCaO = 2.38g (Qué reacciona)

Escoria Desulfurante (real) = [(%Sadicionado * Wcarga)/100%]*(1000g/1kg) = [(1.5%*8kg)/100%]*(1000g/1kg)

Escoria Desulfurante (Real)= 120g

WCaF2 = Escoria Desulfurante (Real)*12% = 120g*0.12

WCaF2 = 14.4g

WCaO = Escoria Desulfurante (Real) - WCaF2

= 120g – 18g WCaO = 105.60g

5.- Inoculación. %Fe-Si adicionado = 2% %eficiencia = 80% %Fe Si contenido = 75%

WFe-Si = [((%Fe-Si adicionado*Wcarga)/100%)*(1000g/1kg)]/(%eficiencia/100%) = [((2%*8kg)/100%)*(1000g/1kg)]/(80%/100%)

WFe-Si = 266.6666g 6.- Perlitizado. %Cu necesario = 0.75% (menor al 1% preferentemente)

WCu requerido = ((%Cu necesario*Wcarga)/100)*(1000g/1kg) = ((0.75%*8kg)/100)*(1000g/1kg)

WCu requerido = 60g 7.- Nodulización. (Noduloy) %Fe-Si-Mg = 1.4%

WNoduloy = ((%Fe-Si-Mg*Wcarga)/100%)*(1000g/1kg) = ((1.4%*8kg)/100%)*(1000g/1kg)

WNoduloy = 112g La segunda experimentación es descrita a continuación con la siguiente bitácora: Hora (hrs.) Descripción del Proceso.

14:06 Peso de materia prima en balanza. 16:16 Revisión de las partes eléctricas del Horno de Inducción. 16:16 Revisión de la pared refractaria del Horno de Inducción y del Crisol. 16:16 Preparación del Pirómetro y Termo coplees para medición de temperatura. 16:27 Disposición y reparto del equipo de seguridad. 16:17 Carga de Horno de Inducción. 16:17 Se inició el precalentamiento del Crisol de vaciado. 16:20 Inicio de Fundición. 17:05 Medición de temperatura con una lectura de 1592°C. 17:07 Se agregó la Escoria Desfosforante (120 g). 17:09 Medición de temperatura con una lectura de 1545°C. 17:11 Se desescorió. 17:13 Se obtuvo muestra para análisis químico. 17:20 Se agregó Aluminio (Al) para desoxidar el baño metálico (8 g).

17:27 Se midió la temperatura y se registraron 1609°C. 17:27 Se agregó grafito en granalla para carburación (389.47 g). 17:28 Se obtuvo muestra para análisis químico. 17:28 Se agregó la Escoria Desulfurante (120 g). 17:34 Se desescorió. 17:36 Se extrajo muestra. 17:37 Se midió la temperatura con una lectura de 1605°C. 17:38 Se midió la temperatura con una lectura de 1565°C.

17:39 Vaciado a una temperatura registrada de 1565°C en Crisol para Inoculación (266.66 g) y Perlitizado (60 g).

17:40 Tratamiento en Crisol con Noduloy en la campana para Nodulización. 17:40 Vaciado del Crisol al molde de arena en verde y limpieza del Crisol.

Durante la segunda experimentación no hubo pérdidas del metal líquido en

comparación con el primer experimento, en donde se rebasó la capacidad del Horno de Inducción en volumen, y la presentación en polvo del grafito que en este experimento fue cambiado a una presentación en forma de granalla.

3º Experimentación

En la tercera fundición, fue necesario recalcular el Balance de Materia debido a que el

Hierro Nodular Perlítico obtenido en la segunda experimentación tenía una cantidad excesiva de Fe-Si, resultado que fue programado para evitar la formación de carburos y que en esta experimentación es ajustado, cumpliendo la cantidad de Si tanto en la Inoculación como en la Nodulización.

La tercera experimentación se realizó en las mismas condiciones de fundición que la

experimentación anterior, con 8 kg de carga en el mismo horno de inducción y vaciado en molde de arena en verde cerrado, considerando la composición química del Noduloy 5r y el siguiente Balance de Materia:

Noduloy 5r

Elemento %W Si 45.86 Mg 6.78 Ce 0.58 Al 0.88 Co 1.12 TR 44.78

1.- Desfosforación. %P deseado = 0.02% (máx.) %P inicial =0.035% Wcarga = 8kg %Escoria de fusión = 1.5%

%Pdiferencia = %P inicial + %P deseado

= 0.035% - 0.02% %Pdiferencia = 0.015%

WP = %Pdiferencia*Wcarga

= (0.015%/100%)*(8kg*(1000g/1kg)) WP = 1.2g

62g/mol 360g/mol

2P + 5FeO + CaO = P2O3*CaO + 5Fe 1.2g (WP)

WFeO = (WP*360g/mol)/62g/mol = (1.2g*360g/mol)/62g/mol

WFeO = 6.9677g WCaO = WFeO = 6.9677g

WCaF2 = WCaO +WFeO =6.9677g + 6.9677g WCaF2 = 13.9355g

Escoria Desfosforante = (2*WFeO) + (12%*(2*WFeO))

= (2*6.9677g) + (0.12*(2*6.9677g)) Escoria Desfosforante = 15.6077g (Que reacciona)

Real.

Escoria Desfosforante = %Escoria de fusión*Wcarga = (1.5%/100%)*(8kg(1000g/1kg))

Escoria Desfosforante = 120g WCaF2 = 12%* Escoria Desfosforante

=(12%/100%)*120g WCaF2 = 14.4g

WFeO = (Escoria Desfosforante – WCaF2)/2

= (120g – 14.4g)/2 WFeO = 52.8g

WCaO = WFeO = 52.8g

2.- Desoxidación con Al. %Alreacciona = 0.1%

WAl = %Alreacciona*Wcarga = (0.1%/100%)*(8kg(1000g/1kg))

WAl = 8g 3.- Carburación. %Cdeseado = 3.8%

%Cinicial = 0.10% %Eficiencia = 80% %Ccontenido = 95%

%Cdiferencia = %Cdeseado - %Cinicial =3.8% - 0.10%

%Cdiferencia = 3.7%

WC = ((%Cdiferencia*Wcarga)/%CEficiencia)/%Ccontenido = (((3.7%/100%)*(8kg(1000g/1kg)))/(80%/100%))/(95%/100%)

WC = 398.47g 4.- Desulfuración. %Sinicial = 0.035% %Sdeseado = 0.018% %Sadicionado = 1.5%

WS = (%Sinicial - %Sdeseado) * Wcarga = ((0.035%/100%) – (0.018%/100%)) * (8kg/(1000g/1kg))

WS = 1.36g 32g/mol 56g/mol 56g/mol

S + Fe + CaO = CaS + FeO 1.36 (WS) WCaO = (WS*56g/mol)/32g/mol = (1.36g*56g/mol)/32g/mol WCaO = 2.38g (Que reacciona) Real.

Escoria Desulfurante = %Sadicionado*Wcarga = (1.5%/100%)*(8kg(1000g/1kg)

Escoria Desulfurante = 120g

WCaF2 = 12%*Escoria Desulfurante = 0.12*120g

WCaF2 = 14.4g

WCaO = Escoria Desulfurante – WcaF2 = 120g – 14.4g WCaO = 105.6 g

5.- Inoculación. %Si(Fe-Si; eficiencia) = 75% %Si(total en la carga) = 2.6%

WSi(total) = Wcarga * %Si (total en la carga) = (8kg(1000g/1kg)) * (2.6%/100%)

WSi(total) = 208g

%Si(Fe-Si en carga) = %Si(total en la carga) - %Si(Fe-Si-Mg en la carga) = 2.6% - 0.64204%

%Si(Fe-Si en carga) = 1.95796%

WSi(Fe-Si) = %Si(Fe-Si en carga) * Wcarga = (1.95796%/100%) * (8kg(1000g/1kg))

WSi(Fe-Si) = 156.6368g

WFe-Si = (WSi(Fe-Si) * 100%)/%Si(Fe-Si;eficiencia) = (156.6368g * 100%)/(75%)

WFe-Si = 208.85g

%Fe-Si(en carga) = (WFe-Si * 100%)/Wcarga = (208.85g*100%)/(8kg(1000g/1kg))

%Fe-Si(en carga) = 2.61% 6.- Nodulización. %Fe-Si(carga) = 1.4% %Si(Fe-Si-Mg) = 45.86%

WFe-Si-Mg = Wcarga * %Fe-Si-Mg(carga) = (8kg(1000g/1kg)) * (1.4%/100%)

WFe-Si-Mg = 112g

WSi(Fe-Si-Mg) = WFe-Si-Mg * %Si(Fe-Si-Mg) = 112g * (45.86%/100%) WSi(Fe-Si-Mg) = 51.3632g

%Si(Fe-Si-Mg en la carga) = WSi(Fe-Si-Mg) * (100%/Wcarga)

=51.3632g * (100%/(8kg(1000g/1kg))) %Si(Fe-Si-Mg en la carga) = 0.64204%

Comprobación.

%Si(total en carga) = %Si(Fe-Si en carga) + %Si(Fe-Si-Mg en la carga) 2.6% = 1.95796% + 0.64204%

2.6% = 2.6%

WSi(total) = WSi(Fe-Si) + WSi(Fe-Si-Mg) 208g = 156.6368g + 51.3632g

208g = 208g 7.- Perlitizado. %Cuadicionado = 0.75% (menor al 1% preferentemente)

WCu = (%Cuadicionado * Wcarga)

=(0.75%/100%) * (8kg(1000g/1kg)) WCu = 60g

4º Experimentación La cuarta experimentación se realizó con las mismas características que la tercera, con

una base de cálculo de 10kg.

ETAPA 2. TRATAMIENTO TÉRMICO DE AUSTEMPERIZADO (AUSTEMPERED HEAT

TREATMENT).

1° EXPERIMENTACIÓN. Para realizar la experimentación del Tratamiento Térmico de Austemperizado

(Austempering), fue necesario poner en funcionamiento un Horno de Sales, en donde se diera el enfriamiento rápido después del tiempo de Austenización.

En Laboratorios Pesados de Ingeniería Metalúrgica del Instituto Politécnico Nacional,

se contaba con un Horno de Revenido, que es mostrado en las Figs. A1A y A1B. Fig. A1A. Horno de Revenido con su controlador original. Fig. A1B. Instalación de la resistencia eléctrica. El refractario se encontró en buenas condiciones, con un deterioro ligero, sin embargo,

las condiciones del controlador eran desconocidas, y la falta de resistencia eléctrica fue evidente. Así que se trató de reparar el controlador, y la instalación de una resistencia eléctrica nueva fue imperante.

El controlador no pudo recuperarse por completo, aunque se energizó, no cumplió con

su función principal: controlar la temperatura. Así que se incorporó un controlador más reciente en comparación con el original, y así pudo ser reincorporado un Horno de Sales que originalmente estaba descompuesto en los Laboratorios Pesados de Metalurgia del IPN. Como se muestra en las Figs. A1C y A1D, el controlador nuevo fue adaptado y la resistencia eléctrica respondió adecuadamente al funcionamiento del Horno de Sales.

Fig. A1C. Controlador y medidor de temperatura. Fig. A1D. Resistencia eléctrica en funcionamiento.

En el interior del Horno de Sales, se incluyó una olla de acero inoxidable como recipiente contenedor de sales, para evitar la posible corrosión por el medio contenido, y asegurar la conductividad térmica a través de sus paredes que favorecen al uso de menos energía eléctrica, al igual que la tapa que recubre y encierra la atmósfera.

Además, para verificar que la temperatura controlada fuese la correcta, como se

muestra en la Fig. A1D (de la resistencia eléctrica en funcionamiento), se colocó agua en la olla y el controlador hasta la temperatura de ebullición de la misma (92°C aproximadamente en la Ciudad de México, ya que NO se contaba con un termómetro a la mano) para comprobar que la temperatura marcada correspondía al momento justo en que el agua hierve, y de esa manera comprobar el correcto funcionamiento del controlador con respecto a la temperatura.

Durante la Primera experimentación del Tratamiento Térmico se utilizó, además, una

mufla con la capacidad de elevar su temperatura por arriba de los 1000°C con el objetivo de alcanzar la temperatura de Austenización. Se utilizaron tres probetas de tres diferentes tamaños y geometrías, considerando la conductividad térmica, y lograr una transformación homogénea de las fases, como se muestra en las Figs. A1E y A1F.

Fig. A1E. Mufla para Austenización a 900°C Fig. A1F. Probetas de Hirro Dúctil Perlítico. El Tratamiento Térmico de Austemperizado se realizó de acuerdo a la siguiente

bitácora: Laboratorios Pesados de Metalurgia.

Bitácora del primer Austempering (experimental). 12:00 hrs. Inicio (probetas introducidas en la mufla a 900ºC. se perdieron 120ºC aproximadamente por la apertura

de puerta). 12:30 hrs. Las sales alcanzaron los 100ºC. 12:45 hrs. Aumento de temperatura a 200ºC en el baño de sales. 13:12 hrs. Las sales alcanzaron los 200ºC. 13:15 hrs. Aumento de temperatura a 300ºC en el baño de sales. 13:44 hrs. Las sales alcanzaron los 300ºC. 13:45 hrs. Aumento de temperatura a 350ºC en el baño de sales. 14:05 hrs. Las sales alcanzaron los 350ºC. 14:07 hrs. Se sacó el primer grupo de probetas de la mufla (890ºC bajó la temperatura de la mufla) y se introdujo

en el baño de sales a 350ºC. 14:37 hrs. Se sacó el segundo grupo de probetas de la mufla (888ºC bajó la temperatura de la mufla) y se introdujo

en el baño de sales a 350ºC.

15:07 hrs. Se sacó el tercer grupo de probetas de la mufla (890ºC bajó la temperatura de la mufla) y se introdujo en el baño de sales a 350ºC.

16:37 hrs. Se sacó el primer grupo de probetas del baño de sales y se dejó enfriar al ambiente. 17:07 hrs. Se sacó el segundo grupo de probetas del baño de sales y se dejó enfriar al ambiente. 17:37 hrs. Se sacó el tercer grupo de probetas del baño de sales y se dejó enfriar a temperatura ambiente. Para una temperatura de Asutenización de 900°C, y una permanencia de 2:07 hrs.,

(dos horas y siete minutos) para el primer grupo; 2:37 hrs., (dos horas treinta y siete minutos) para el segundo grupo; y finalmente 3:07 hrs., (tres horas treinta y siete minutos) para el tercer grupo. El baño de sales consistió de: 2kg de NaNO3 (punto de fusión 207°C) y 1kg de Na2CO3 (punto de fusión 851°C), como se muestra en las Figs. A1G y A1H.

Fig. A1G. Probetas en el interior de la mufla a 900°C. Fig. A1H. Probetas enfriadas en baño de sales. El baño de sales alcanzó la temperatura de fusión, sin embargo, no pudo mantenerse

completamente líquido y se presentó de forma espesa y de viscosidad alta, lo que impidió que la conductividad térmica fuese deficiente.

2° EXPERIMENTACIÓN. Durante la segunda experimentación se realizaron cambios considerables, como el uso

de una sola probeta para tratamiento térmico, el uso de lingote de Pb (Plomo) que a 350°C estuvo líquido en forma de baño para permanencia a temperatura de Austemperizado, el recubrimiento del termopar para evitar que entrara en contacto directo con el baño de Pb y conseguir así una lectura más precisa y confiable de la temperatura, además de el tiempo de permanencia de la probeta a temperatura de Austenización, considerando un tiempo de 1 hora/pulgada de espesor.

El proceso de la experimentación se describe en la siguiente bitácora: Laboratorios Pesados de Metalurgia.

Bitácora del segundo Austemperizado (experimental). # Probetas ensayadas: 1. 15:15 hrs. La probeta se introdujo a la mufla a 900 ºC. 15:45 hrs. El Plomo alcanzó la temperatura de 360ºC y está completamente líquido y no pastoso.

16.05 hrs. La probeta se sacó de la mufla y se introdujo en el baño de Plomo a 360ºC, con una agitación de manera manual durante un minuto aproximadamente. Al momento de soltar la probeta sumergida en el baño de plomo, ésta flotó hasta la superficie del líquido debido a la diferencia de densidades entre el hierro y el plomo, manteniendo la mitad de la pieza bajo la superficie y la otra mitad expuesta a la temperatura del interior del horno. Se introdujo un pequeño crisol de barro cerámico para tratar de sumergir la probeta lo mejor posible y se mantuvo sin movimiento durante el Austemperizado y junto con el termopar (a no más de 4 cm de distancia entre la probeta y el termopar).

18:25 hrs. Se sacó la probeta del baño de Plomo y se dejó enfriar al aire. Como puede observarse en las Figs. A2A, A2B, A2C, A2D y A2E, durante la

experimentación, después de alcanzar la temperatura de Austenización (después de 50 minutos para un espesor de poco más de ½ pulgada), la probeta fue sacada de la mufla e introducida en el baño de Pb, presentándose el problema de densidades que no había sido considerado en un principio, lo que provocó que la probeta flotara en el baño durante el tiempo restante de Austemperizado, manteniendo sólo la mitad de su volumen bajo el baño de Pb y la otra mitad expuesta a la temperatura del interior del Horno de Sales.

Fig. A2A. Recubrimiento del termopar antes del Austemperizado. Fig. A2B. Lingote de Pb.

Fig. A2C. Probeta en el interior de la mufla. Fig. A2D. Probeta flotando en el baño de Pb. Fig. A2E. Probeta Enfriada al aire.

3° EXPERIMENTACIÓN.

La tercera experimentación se realizó en las mismas condiciones que el segundo

experimento, con un Hierro Nodular Perlìtico con la siguiente composición química:

%C 3.58

%Si 2.48

%Mn 0.63

%Cr 0.121

%P 0.012

%S 0.005

%Sn 0.006

%Mg 0.035

%Mo 0.005

%Ni 0.026

%Cu 0.716

%Al 0.009

%Ti 0.011

%Pb 0.005

%V 0.005

%Ce 0.001

%Zn 0.002

El Análisis Químico se realizó con el Método de “Quema de Chispa”, en donde el

metal o aleación a analizar, es desbastada con una lija en seco de #80 y #60, hasta lograr una superficie plana libre de óxidos y limpia, la cuál es expuesta a una pistola que produce una chispa con Argón, para proteger la emisión del aire del ambiente, en donde las emisiones de cada elemento son leídas para conocer la cantidad contenida en la aleación. El ensayo no es muy tardado, la exposición a la chispa es de algunos segundos con varias quemas para obtener promedios confiables de cada elemento.

El Tratamiento Térmico de Austemperizado es descrito con la siguiente bitácora: Laboratorios Pesados de Metalurgia.

Bitácora del tercer Austemperizado (experimental). # Probetas ensayadas: 1. 16:15 hrs. La probeta se introdujo a la mufla a 900 ºC. 16:45 hrs. El Plomo alcanzó la temperatura de 350ºC y está completamente líquido y no pastoso. 17.05 hrs. La probeta se sacó de la mufla y se introdujo en el baño de Plomo a 350ºC, con una agitación de manera

manual durante un minuto aproximadamente. En esta ocasión, la diferencia de densidades entre el hierro y el plomo no presentaron dificultades ante el enmallado que se adaptó al horno para evitar que flotara la probeta.

19:25 hrs. Se sacó la probeta del baño de Plomo y se dejó enfriar al aire. En esta experimentación, se introdujo una malla metálica con un alambre en el interior

del Horno de Sales, con el fin de mantener a la probeta dentro del baño de Pb y evitar así, que estuviera en contacto directo con la temperatura alcanzada en el interior del

Horno, y no con el baño metálico que corresponde a la temperatura de Austemperizado, como se muestra en la Fig. A2F.

Fig. A2F. Malla metálica adaptada al Horno de Sales para mantener en el fondo del baño de

Austemperizado a la probeta ensayada.

4° EXPERIMENTACIÓN. Durante la cuarta experimentación del Tratamiento Térmico, se utilizó el Hierro

Dúctil Perlítico con el ajuste realizado en la composición química para controlar el alto contenido de Si y la matriz Perlita en cantidad aceptable para una transformación de la fases a Ausferrita (Austenita Retenida) después del Tratamiento Térmico de Austemperizado, como se muestra en las Figs. A4A y A4B.

Fig. A4A. Mufla (90ºC Austenización). Fig. A4B. Controlador del Horno de Sales (350ºC Austemperizado). Como se observa en las Figs. A4A y A4B, la temperatura de Austenización y de

Austemperizado se mantuvieron iguales con respecto al experimento anterior, Conservando las mismas características de temperatura, tiempo de permanencia y enfriamiento del Tratamiento Térmico de Austemperizado.

Fig. A4C. Probeta durante la Austenización (900ºC). Fig. A4D. Probeta durante el Austemperizado (350ºC). El baño de Pb fue el mismo medio que en las anteriores experimentaciones,

ofreciendo un gran rendimiento y sin necesidad de ser reemplazado desde la segunda experimentación (sin considerar los daños a la salud que conlleva su uso), como se muestra en las Figs. A4C y A4D.

La siguiente bitácora describe el proceso realizado en esta experimentación: Laboratorios Pesados de Metalurgia.

Bitácora del cuarto Austemperizado (experimental).

16:00 hrs. Se introduce la probeta de Hierro Nodular Perlítico a la mufla a una temperatura de 900°C para Austenizado. 17:00 hrs. Se retira la probeta austenizada a 900°C y se introduce al horno de baño de plomo a 350°C con agitación durante 15 segundos para Austemperizado. 18:30 hrs. Se retira la probeta de ADI del baño de plomo (Pb) y se deja enfriar a temperatura ambiente después del Austemperizado.

5° EXPERIMENTACIÓN. En la quinta y última experimentación se realizaron los mismos pasos utilizados en la

experimentación anterior (1hora de Austenización y 11/2 horas de Austemperizado), utilizando el Hierro Dúctil Perlítico de la última experimentación de fundición y ajuste de Balance de Materia. La siguiente bitácora de experimentación explica lo sucedido en esta experimentación:

Laboratorios Pesados de Metalurgia.

Bitácora del quinto Austemperizado (experimental). 13:35 hrs. Se introduce probeta de hierro nodular perlítico a la mufla a una temperatura de 902°C. 14:35 hrs. Se saca la probeta Austenizada a 900°C y se introduce en el baño de Plomo (Pb) a 350°C para

Austemperizado. 16:05 hrs. La probeta de ADI se saca del baño de plomo (Pb) y se deja enfriar al aire.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS. ETAPA 1. FUNDICIÓN.

1º Experimentación Los resultados obtenidos en la primera experimentación se obtuvieron a partir del

Análisis Metalográfico de dos muestras como se muestra en las Figs. RF1A, RF1B, RF1C, RF1D, RF1E y RF1F.

Fig. RF1A. Muestras metalográficas El ataque se realizó con Nital 3 (3% ácido nítrico y 97% alcohol etílico) en ambas

probetas, y puede observarse en las siguientes fotografías las microestructuras obtenidas antes y después de atacar.

Fig. RF1B. Muestra 1. A 10X sin ataque químico. Fig. RF1C. Muestra 1 A 10X atacada con Nital 3. Como puede observarse en las Figs. RF1B y RF1C, es evidente la forma acicular en la

microestructura (agujas) durante el proceso justo antes de la desulfuración, y algunos nódulos de Carbono que se mantienen en algunas pequeñas partes de la microestructura, estas agujas son visibles a simple vista después del ataque químico.

Fig. RF1D. Muestra 2.A 10X Sin ataque químico. Fig. RF1E. Muestra 2. A 10X Atacada con Nital 3. Puede observarse una cantidad de nódulos de grafito aceptable en la primera

fotografía, así como la matriz Ferrita de la segunda fotografía. Conteo de Nódulos. El conteo de nódulos se realizó con el Analizador de Imágenes Image-Pro Plus, del

Microscopio Óptico del Grupo de Análisis de Integridad de Ductos (GAID) del IPN, ubicado en el CEPROMÍN.

Fig. RF1F. Conteo de Nódulos con el analizador del microscopio óptico.

Rango Objetos % Objetos % Área

1 457 99.781662 6.2515173

2 1 0.21834061 93.748482

Rango Objetos % Objetos % Área

1 316 99.68454 3.0494628

2 1 0.3154574 96.950539

Rango Objetos % Objetos % Área

1 315 99.683548 3.0375926

2 1 0.31645569 96.96241

Promedio Objetos % Objetos % Área

1 362.6666667 99.71658333 4.112857567

2 1 0.2834179 95.88714367 Puede observarse que para un área de 500µm2 analizada se cuenta con un promedio de

362 nódulos (99.72%), así que la equivalencia para 1000µm2 (1mm2), es de 724 nódulos/mm2. El análisis químico realizado en la primera experimentación según el Laboratorio de Análisis Metalúrgicos del Instituto Politécnico Nacional, proporciona la siguiente composición:

Muestra 1. Muestra 2.

Elemento % Elemento % C 0.1351 C 3.967 Si 0.13 Si 0.13 Mn 0.743 Mn 0.743 S 0.00473 S 0.00318 P 0.0026 P 0.0026

Mg 0.075 Mg 0.075

CE = %C + (%Si/3) (Ec. 2) CE1 = 0.1351% + (0.13%/3) = 0.17843% CE2 = 3.967% + (0.13%/3) = 4.0103%

El Diagrama Fe-C muestra el contenido de C en la muestra analizada, con un acero Hipereutectoide para la muestra 1 y un Hierro Hipoeutéctico para la muestra 2.

2º Experimentación Las Probetas Metalográficas ensayadas en esta experimentación son mostradas en la

Fig. RF2A, en donde puede apreciarse una gran cantidad de nódulos con una forma redonda muy uniforme.

Fig. RF2A. Metalografías a 10Xde Hierro Nodular antes de atacar con Nital 3, que muestran

una gran cantidad de Nódulos de Grafito. Las Figs. RF2B y RF2C muestran la Microestructra del Hierro Nodular Perlítico, con

Nódulos de Grafito rodeados de Ferrita (Feα) y como matriz la fase Perlita producida por la adición de Cobre.

Fig. RF2A. Microestructura de Hierro Nodular Perlítico a 10X. Fig. RF2B. Microestructura de Hierro Nodular Perlítico a 50X. La primera fotografía muestra a 10X la microestructura de matriz perlítica (láminas de hierro α

+ Fe3C) con fase ferrítica (hierro α (blanco)) rodeando a los nódulos de grafito formados. Mientras que la segunda registrada a 50X es una muestra más clara de la microestructura

obtenida y buscada en un principio como base para el posterior tratamiento de Austemperizado.

Conteo de Nódulos.

Fig. RF2C. Conteo de Nódulos realizado con el Analizador de Imágenes del Microscopio Óptico Image-Pro Plus, ubicado en el DIM.

# Objects % Objects % Area

178 99.44134078 6.22870315

1 0.558659218 93.7712969

# Objects % Objects % Area

155 99.35897436 3.039579218

1 0.641025641 96.96042078

# Objects % Objects % Area

197 99.49494949 3.043738955

1 0.505050505 96.95626105

# Objects % Objects % Area

176.6666667 99.43714822 3.041970704

1 0.562851782 96.9580293 Puede observarse que para un área de 300µm2 analizada, se cuenta con un promedio

de 176 nódulos (99.44%), así que la equivalencia para 1000µm2 (1mm2), es de 586 nódulos/mm2.

El análisis químico realizado en la segunda experimentación, según el Laboratorio de

Análisis Metalúrgicos del Instituto Politécnico Nacional, proporciona la siguiente composición química:

Muestra. Elemento %

C 2.163 Si 5.27 Mn 0.72 S 0.00369 P 0.022

Mg 0.05

CE = %C + (%Si/3) (Ec. 2) CE1 = 2.163% + (5.27%/3) = 3.9196%

Diagrama Fe-C que muestra el contenido de C en la muestra analizada, con un Hierro

Hipoeutéctico.

3º Experimentación La pieza obtenida en la tercera experimentación es mostrada en la Fig. RF3A. Fig. RF3A. Pieza de Hierro Nodular Perlítico obtenido en la tercera experimentación con el

ajuste en la composición química para un posterior tratamiento térmico de Austemperizado.

El análisis metalográfico realizado a la pieza fundida de Hierro Nodular Perlítico es mostrado en las Figs. RF3B, RF3C y RF3D.

Fig. RF3A. Forma y distribución de Nódulos a 10X. Fig. RF3B.Forma y distribución de nódulos a 50X.

Fig. RF3D. Microestructura de Hierro Nodular Perlítico a: 20X, 50X y 100X, respectivamente.

Puede observarse una microestructura similar a la del experimento 2, con una matriz

Perlita (Feα + Fe3C), y nódulos de grafito (C) rodeados de Ferrita (Feα). Las muestras metalográficas fueron atacadas con Nital 3% durante 3 segundos.

El análisis para la densidad de nódulos es el siguiente:

Fig. RF3E. Conteo de Nódulos con el analizador de imágenes Image-Pro Plus del microscopio óptico

Range Objects % Objects %

Area Mean Area

% Size (length)

Mean Size (length)

% Size (width)

Mean Size (width)

1 677 97,832367 10,978446 212,44461 89,842804 18,206514 88,035767 12,0128

2 15 2,16763 89,021553 77749,469 10,157195 92,899788 11,964231 73,682999

Range Objects % Objects % Mean % Mean % Mean

Area Area Size (length) Size (length) Size (width) Size (width)

1 613 98,394867 10,973063 234,55627 89,503113 18,952946 87,827927 12,819095

2 10 1,6051364 89,026939 116654,4 10,496887 136,25725 12,172071 108,90546

Range Objects % Objects % Mean % Mean % Mean

Area Area Size (length) Size (length) Size (width) Size (width)

1 678 97,553955 10,593825 204,72272 89,258156 17,331619 87,960022 11,964931

2 17 2,4460433 89,406174 68906,703 10,741846 83,186134 12,039977 65,317764

217,2412 89,534691 18,163693 87,9412387 12,2656087

NODULOS PROMEDIO 10,8484

% MATRIZ SOLIDA PROMEDIO 89,1516

# Objects % Objects % Area

677 97,832367 10,978446

15 2,16763 89,021553

# Objects % Objects % Area

613 98,394867 10,973063

10 1,6051364 89,026939

# Objects % Objects % Area

678 97,553955 10,593825

17 2,4460433 89,406174

# Objects % Objects % Area

656 97,91044776 10,84844467 14 2,089552239 89,15155533

Para este caso se observa que para un área analizada mayor a 1000µm2, se cuenta con

un promedio de 656 nódulos (97.91% de objetos en un 10.84% del área de la fotografía), así que la equivalencia para 1000µm2 (1mm2), es <656 nódulos/mm2.

El análisis químico realizado en la segunda experimentación según el Laboratorio de

Análisis Metalúrgicos del Instituto Politécnico Nacional, proporciona la siguiente composición química:

Muestra. Elemento %

C 3.65 Si 1.8433 Mn 0.7353 S 0.00385 P 0.00906

Mg 0.0666

CE = %C + (%Si/3) (Ec. 2) CE = 3.65% + (1.8433%/3) = 4.26443%

Fig. RF3F. Diagrama Fe-C que indica la cantidad de C para la muestra analizada, con un Hierro Hipoeutéctico.

Dureza Brinell (HB). Se realizó un ensayo de dureza comprendiendo 5 identaciones, con una carga de

750kg y un diámetro de 5mm. Se obtuvieron los datos de la siguiente tabla con ayuda del analizador de imágenes del microscopio óptico.

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1685.217 1685.217 -0.001 0.001 Pass

2 L4 Length 1670.689 1670.689 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1677.953

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1690.059 1690.059 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1680.395 1680.395 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1685.227

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1675.525 1675.525 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1675.532 1675.532 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1675.5285

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1694.895 1694.895 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1699.737 1699.737 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1697.316

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1690.052 1690.052 -0.001 0.001 Pass

2 L3 Length 1685.237 1685.237 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1687.6445

Con un promedio total de 1684.7338µm (1.6847mm), y calculando la dureza Brinell

(HB) a partir de los datos obtenidos y la siguiente ecuación, se obtuvo la dureza del Hierro Dúctil:

HB= 2P .

πD [D - √(D2 – d2)]

HB= 2(750kg) . 3.1416(5mm) [(5mm) - √((5mm)2 – (1.6847mm)2)]

HB = 326.6167 kg/mm2

El resultado de la dureza Brinell del Hierro Dúctil de esta experimentación es de:

326.6167HB.

4º Experimentación El análisis metalográfico realizado a la pieza fundida de Hierro Nodular Perlítico se

muestra en las Figs. RF4A y RF4B.

10X 20X 100X

Fig. RF4A. Forma y distribución de Nódulos.

La Fig. RF4A muestra la forma y distribución de los nódulos de grafito antes de que la probeta fuese atacada. Después del ataque se puede observar la Fig. RF4B.

10X 20X

50X 100X Fig. RF4B. Microestructura de Hierro Nodular Perlítico.

Para este experimento se observa una microestructura similar a la del experimento 3,

con una matriz Perlita (Feα + Fe3C), y nódulos de grafito (C) rodeados de Ferrita (Feα). Las muestras metalográficas fueron atacadas con Nital 3% durante 3 segundos.

El análisis para la densidad de nódulos es el siguiente:

Fig. RF4C. Conteo de Nódulos con el analizador de imágenes Image-Pro Plus del microscopio óptico

# Objects % Objects % Area

735 99.72863 7.2185493

2 0.27137041 92.781448

# Objects % Objects % Area 915 99.890831 10.173675

1 0.1091703 89.826324

# Objects % Objects % Area 739 99.730095 11.090026

2 0.26990554 88.909973

# Objects % Objects % Area 796.3333333 99.79114453 9.494083433 1.666666667 0.208855472 90.505915

Por consiguiente se observa que, para un área analizada mayor a 500µm2, se cuenta

con un promedio de 796 nódulos (99.79% de objetos en un 9.49% del área de la fotografía), así que la equivalencia para 1000µm2 (1mm2), es <796 nódulos/mm2.

El análisis químico realizado en la segunda experimentación, se expresa como sigue:

Muestra.

Elemento % C 3.72 Si 1.9345 Mn 0.7560 S 0.00396 P 0.0033

Mg 0.0678

CE = %C + (%Si/3) (Ec. 2) CE1 = 3.72% + (1.9345%/3) = 4.36483%

Fig. RF3F. Diagrama Fe-C que indica la cantidad de C para la muestra analizada, con un Hierro Hipoeutéctico.

Dureza Brinell (HB). Se realizó un ensayo de dureza comprendiendo 5 identaciones, con una carga de

750kg y un diámetro de identador de 5mm. Se obtuvieron los datos de la siguiente tabla con ayuda del analizador de imágenes del microscopio óptico.

Features Measurement Value

Nominal Val.

Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L1 Length 1723.957 1723.957 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1714.272 1714.272 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1719.1145

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L1 Length 1704.587 1704.587 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1714.265 1714.265 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1709.426

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L1 Length 1723.95 1723.95 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1719.135 1719.135 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1721.5425

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L1 Length 1709.45 1709.45 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1743.327 1743.327 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1726.3885

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L1 Length 1714.272 1714.272 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1704.587 1704.587 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1709.4295

Con un promedio total de 1717.1802µm (1.7172mm), y calculando la dureza Brinell

(HB) a partir de los datos obtenidos y la siguiente ecuación, se obtuvo la dureza del Hierro Dúctil:

HB= 2P .

πD [D - √(D2 – d2)]

HB= 2(750kg) . 3.1416(5mm) [(5mm) - √((5mm)2 – (1.7172mm)2)]

HB = 314.0177 kg/mm2

El resultado de la dureza Brinell del Hierro Dúctil de esta experimentación es de:

314.0177HB. ETAPA 2. TRATAMIENTO TÉRMICO DE AUSTEMPERIZADO.

1° EXPERIMENTACIÓN. Las probetas obtenidas del Tratamiento Térmico de Austemperizado se muestran en la

Fig. RA1A y RA1B.

Fig. RA1A. Grupos de probetas Austemperizadas.

Fig. RA1B. Probetas del Grupo 3 (las más grandes) que no presentaron un cambio

considerable en la microestrucura): Debido al grueso del espesor, el tiempo de Austenización no fue suficiente para

producir cambios relevantes en la microestructura, así mismo, influyó la poca conductividad térmica que proporcionaron las sales debido a su estado pastoso.

Puede observarse que aparentemente no hay un gran cambio en la microestructura a

10X y 20X, sin embargo, cuando se observan a 50X y 100X, es poco apreciable una posible formación de Ausferrita (Austenita Retenida) en las probetas del grupo 1. La

gran cantidad de Ferrita presente impide que la Ausferrita formada sea visible y esté presente en gran cantidad en la Fig. RA1C.

10X. 20X.

50X. 100X. Fig. RA1C. Microestructuras con una gran cantidad de Ferrita y algo de Ausferrita.

La siguiente Fig. RA1D, muestra el Diagrama TTT muestra el comportamiento de las

probetas durante el tratamiento térmico de Austemperizado y los resultados obtenidos en las microestructuras ya mencionadas.

Fig. RA1D. Diagrama TTT que muestra el comportamiento de las diferentes muestras durante el Austemperizado.

2° EXPERIMENTACIÓN. La microestructura obtenida después del Tratamiento Térmico de Austemperizado es

mostrada en la Fig. RA2A.

10X. 20X. 40X.

Fig. RA2A. Microestructura obtenida con una ligera mejora en la cantidad de Ausferrita.. Puede observarse una mejora en la cantidad de Ausferrita en comparación con el

experimento anterior, sin embargo, prevalece la gran cantidad de Ferrita sin transformar, a 10X, 20X y 40X.

El comportamiento del Hierro Nodular Perlítico durante el Tratamiento Térmico de

Austemperizado es mostrado en la Fig. RA2B, que muestra el Diagrama TTT.

Fig. RA2B. Diagrama TTT que muestra el comportamiento de la muestra durante el Tratamiento Térmico de Austemperizado.

Como puede observarse en el Diagrama TTT, el comportamiento del Hierro Tratado

Térmicamente está dentro de los rangos establecidos para las diferentes Transformaciones de Fases que pueden presentarse durante el tratamiento. Es posible que debido al alto contenido de Si en el Hierro Base, se provoca la formación de Ferrita.

3° EXPERIMENTACIÓN. En la Fig. RA3A, se muestra la microestructura del Hierro Nodular antes de ser

sometido al Tratamiento Térmico de Austemperizado, donde puede observarse una gran cantidad de Perlita (matriz) que está distribuida de manera homogénea en toda la microestrutura, mientras que la Ferrita continua rodeando a los nódulos de grafito pero en cantidades más pequeñas en comparación con los experimentos anteriores.

10X 20X Fig. RA3A. Microestructura de Hierro Nodular Perlítico con distribución homogénea. En la Fig. RA3B, puede observarse la microestructura del Austempered Dúctil Iron

(ADI), después del Tratamiento Térmico de Austemperizado.

10X 20X

50X 100X Fig. RA3B. Microestructura del Hierro Dúctil Austemperizado (ADI).

La Fig. RA3C muestra el diagrama TTT que indica la trayectoria del Tratamiento Térmico de Austemperizado durante esta experimentación, donde se consigue por primera vez el Hierro Dúctil Austemperizado.

Fig. RA3C. Comportamiento de la muestra durante el Austemperizado.

4° EXPERIMENTACIÓN. La Fig. RA4A muestra la microestructura obtenida después del Tratamiento Térmico

de Austemperizado. Las probetas fueron atacadas con Nital 3, durante 3 segundos. Puede observarse de nuevo la Ausferrita (Austenita Retenida) distribuida homogéneamente durante toda la microestructura del Austempered Dúctil Iron (ADI).

10X 20X

50X 100X Fig. RA4A. Microestructura del Austempered Dúctil Iron (ADI).

La Fig. RA4B muestra el Diagrama TTT que indica la trayectoria del Tratamiento

Térmico de Austemperizado, con el que se obtiene por segunda ocasión el Austempered Dúctil Iron (ADI) en los Laboratorios Pesados de Metalurgia del Instituto Politécnico Nacional.

Fig. RA4B. Diagrama TTT que indica el comportamiento de la muestra durante el Tratamiento Térmico de Austemperizado.

Dureza Brinell (HB). Se realizó un ensayo de dureza comprendiendo 5 identaciones, con una carga de

750kg y un diámetro de 5mm. Se obtuvieron los datos de la siguiente tabla con ayuda del analizador de imágenes del microscopio óptico.

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1660.997 1660.997 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1661.004 1661.004 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1661.0005

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1646.469 1646.469 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1656.154 1656.154 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1651.3115

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1646.476 1646.476 -0.001 0.001 Pass

2 L3 Length 1651.319 1651.319 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1648.8975

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1685.217 1685.217 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1680.367 1680.367 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1682.792

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol. Max. Tol. Pass / Fail

1 L1 Length 1665.839 1665.839 -0.001 0.001 Pass

2 L2 Length 1646.469 1646.469 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1656.154

Con un promedio total de 1660.0311µm (1.6600mm), y calculando la dureza Brinell (HB) a partir de los datos obtenidos y la siguiente ecuación, se obtuvo la dureza del Hierro Dúctil Austemperizado:

HB= 2P .

πD [D - √(D2 – d2)]

HB= 2(750kg) . 3.1416(5mm) [(5mm) - √((5mm)2 – (1.6600mm)2)]

HB = 336.7154 kg/mm2

El resultado de la dureza Brinell del Hierro Dúctil Austemperizado de esta

experimentación es de: 336.7154HB.

5° EXPERIMENTACIÓN. La Fig. RA5A se muestra la probeta que fue utilizada para el quinto Austemperizado,

la cuál fue analizada metalográficamente para conocer la microestructura final de la última experimentación.

Fig. RA5A. Probeta sometida a Tratamiento Térmico de Austemperizado. Después del análisis metalográfico realizado a la probeta mencionada, se obtuvo la

microestructura del Austempered Dúctil Iron (ADI) mostradas en la Fig. RA5B..

10X 20X

50X 100X Fig. RA5B. Microestructura de Hierro Dúctil Austemeperizado (ADI) obtenida en el IPN.

La Fig. RA5C muestra el Diagrama TTT que indica la trayectoria del Tratamiento Térmico de Austemperizado, con el que se obtiene por tercera ocasión el Austempered Dúctil Iron (ADI) en los Laboratorios Pesados de Metalurgia del Instituto Politécnico Nacional.

Fig. RA5C. Diagrama TTT que representa el comportamiento de la muestra durante el Tratamiento Térmico de Austemperizado.

Dureza Brinell (HB). Se realizó un ensayo de dureza comprendiendo 5 identaciones, con una carga de

750kg y un diámetro de 3mm. Se obtuvieron los datos de la siguiente tabla con ayuda del analizador de imágenes del microscopio óptico.

Features Measurement Value Nominal Val.

Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L2 Length 1607.758 1607.758 -0.001 0.001 Pass

2 L3 Length 1602.886 1602.886 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1605.322

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L2 Length 1617.414 1617.414 -0.001 0.001 Pass

2 L3 Length 1612.579 1612.579 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1614.9965

Features Measurement Value Nominal Val. Min. Tol.

Max. Tol.

Pass / Fail

1 L4 Length 1617.414 1617.414 -0.001 0.001 Pass

2 L5 Length 1607.729 1607.729 -0.001 0.001 Passÿ

PROMEDIO 1612.5715

Con un promedio total de 1610.9633µm (1.6109mm), y calculando la dureza Brinell

(HB) a partir de los datos obtenidos y la siguiente ecuación, se obtuvo la dureza del Hierro Dúctil Austemperizado:

HB= 2P .

πD [D - √(D2 – d2)]

HB= 2(750kg) . 3.1416(5mm) [(5mm) - √((5mm)2 – (1.6109mm)2)]

HB = 358.1918 kg/mm2

El resultado de la dureza Brinell del Hierro Dúctil Austemperizado de esta

experimentación es de: 358.1918HB.

CONCLUSIONES. El Hierro Nodular Ferrítico fue obtenido con éxito durante la primera experimentación

siendo favorecida dicha matriz debido a la falta de Cobre (Cu) como elemento formador de Perlita.

El aumento de Fe-Si en la olla de reacción así como el vaciado en molde de arena en

verde cerrado favoreció para evitar la formación de carburos (agujas) que afectan la dureza del material de manera directa, aumentando este parámetro de manera muy considerable y disminuyendo su maquinabilidad, así como la modificación de sus propiedades mecánicas en general.

La presencia de Cu es necesaria para la formación de una matriz Perlítica que es

requerida para un Tratamiento Isotérmico de Austemperizado posterior. Debido al alto punto de fusión de fusión de las sales, no fue posible obtener las

condiciones necesarias para mantener la temperatura de Austemperizado y lograr la formación de Ausferrita buscada, por lo que fue necesario el uso de Plomo para lograr una permanencia homogénea de la temperatura que favoreciera la transformación de las fases presentes en el Hierro Nodular Perlítico inicial y lograr el Hierro Dúctil Austemperizado.

La densidad del Hierro Nodular Perlítico durante el Tratamiento Térmico de

Austemperizado debe ser considerada para asegurar su permanencia en el interior del medio a temperatura de Asutemperizado, para asegurar una transferencia de calor adecuada y homogénea que afectará la microestructura final y por ende, las propiedades mecánicas del Hierro Dúctil Austemperizado.

Un alto contenido de Si (Silicio) en el Hierro Dúctil Perlítico, favorece la formación

de Ferrita que está presente aún después del Tratamiento Térmico de Austemperizado. Pueden observarse los resultados de dureza obtenidos en las últimas dos

experimentaciones donde es posible notar un incremento de la dureza con el Tratamiento Térmico de Austemperizado, por lo que puede notarse que en la penúltima experimentación el incremento fue de 326.6167HB hasta 336.7154HB, y en el último fue de 314.0177HB hasta 358.1918HB. Con ello se concluye que la dureza obtenida es comparable a la especificada en el grado 2 de la tabla 6, según la Sociedad de Hierro Dúctil (Estados Unidos), con una dureza establecida de 302-363 HB.

Los nódulos de grafito son formados a partir de una adecuada inoculación y

nodulización, siendo el método de “la Campana” un método efectivo para realizar el tratamiento de nodulización.

La incorporación del Horno de Sales en los Laboratorios Pesados de Metalurgia se

realizó con resultados aceptables y funcionamiento confiable. Es necesario contar con una composición química y microestructura adecuada en el

hierro base para el tratamiento térmico de Austemperizado para obtener de manera exitosa el Hierro Dúctil Austemperizado.

El Austempered Dúctil Iron (ADI) es obtenido con éxito en los Laboratorios Pesados

de Metalurgia del Instituto Politécnico Nacional.

GLOSARIO. Acero. Aleación de base hierro, maleable en algún intervalo de la temperatura a que

fue inicialmente fundida; contiene Manganeso, generalmente Carbono y a menudo otros elementos de aleación. En acero al carbono y acero de baja aleación, el máximo contenido de carbono es del 2.0% aproximadamente; en acero de alta aleación, del 2.5% aproximadamente. La línea de separación entre aceros de abaja aleación y aceros de alta aleación, se considera generalmente como del 5% de elementos metálicos de aleación.

El acero se debe diferenciar de dos tipos generales de “hierros”: los fundidos, en el

lado de alto carbono, y los relativamente puros, como el hierro de lingote o dulce, el hierro carbonil y el hierro electrolítico, del lado de bajo carbono. En algunos aceros que contienen carbono extremadamente bajo, el contenido de manganeso es el principal factor de diferenciación, el acero con por lo menos 0.25%; el hierro dulce contiene considerablemente menos.

Alotropía. Fenómeno reversible mediante el cuál ciertos metales pueden existir en

más de una estructura cristalina. Si no es reversible, el fenómeno se llama “polimorfismo”.

Austenizado. Templado de una aleación ferrosa desde una temperatura superior al

intervalo de transformación en un medio que tiene una rapidez de abstracción de calor suficientemente alta para evitar la formación de productos de transformación a alta temperatura, y luego mantener la aleación hasta que se completa la transformación, a una temperatura inferior a la de la formación perlítica y superior a la de la formación martensítica.

Carbono Equivalente. Suma del carbono (C) más una tercera parte del silicio (Si) en

un hierro fundido. Degradación de hierros nodulares. Pérdida en el efecto del nodulizante o del

inoculante en hierros colados como una función del tiempo, permitiendo cambios indeseables en la microestructura y en las propiedades.

Inoculación. La adición de un agente al hierro fundido que aporta sitios de nucleación

en donde el grafito precipita durante la solidificación. Nodulización. Adición de magnesio (Mg) a hierro fundido líquido para hacer que el

grafito se precipite en esferas en vez de hojuelas durante la solidificación. Hierro fundido dúctil. Hierro fundido tratado con magnesio (Mg) para que el grafito

se precipite, durante la solidificación, en esferoides, obteniéndose resistencia y ductilidad excelentes. También se le conoce como hierro fundido nodular.

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