Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

Composites in situ en sistemas Fe-Cr-C

Edward Fras* y Hugo López**

* Academia de Minas y Metalurgia, Cracovia, Polonia."Centro de Graduados e Investigaci6n, Instituto Tecnológico de Saltillo,Saltillo, Coah, México.

En este trabajo cuatro microestructuras diferentes fueron obtenidas por solidificación unidireccional de aleaciones Fe-Cr-C que contie-r-C que contie-nen 30% de cromo y varios contenidos de carbono. Se establecen condiciones para una zona de crecimiento acoplado y se determinó el e determinó elefecto de la razón de crecimiento sobre la distancia interfibrosa (~) o sobre la resistencia a la tensión de estas aleaciones. Se encontró quee encontró queestos composites in situ eran capaces de resistir cargas de tensión del orden de 2.500 MPa. lo cual fácilmente excede la resistencia la resistenciamáxima encontrada en los hierros vaciados convencionales.

Composites in situ in Fe-C-Cr Alloy Sistems.

In this work four different microstructures were obtained by unidirectional solidification of Fe-Cr-C alloys containing about 30 wt. pct. ,ou~ 30fwt. p~\

chromium and various contents of carbono Conditions for a coupled growth zone were established and the effect oí the rate oí crystal ra. o 'tCryS agrowth on fibre spacings (A)or on the tensile strength of these alloys was determined. It was found that these composites in situ were es I

I1.S1 at ional

capable oí with standing tensile loads of about 2500 MPa which easily exceeds the maximum tensile strength exhibited by conventional r conven ionacast irons,

INTRODUCCION

En la época actual el desarrollo de nuevas tecnolo-gías ha traído como consecuencia la necesidad de produ-cir materiales capaces de operar con éxito bajo condi-ciones extremas de esfuerzos y temperaturas. Entre losmateriales de reciente creación se encuentran los compo-sites eutécticos (solidificados unidireccionalmente), loscuales son capace-s-de resistir cargas mucho más eleva-das a las que pueden obtenerse en las mismas aleacionessi éstas son solidificadas por técnicas tradicionales [1,2].

El diseño de estos composites utiliza un principiobien conocido, el cual se basa en que el trabajo producidopor un conjunto de materiales diferentes varía aprecia-blemente (cualitativa y cuantitativamente) del que pue-de obtenerse si sólo se empleara uno de los materialescomponentes. Esto da un efecto sinónimo al de la obten-ción de un material nuevo con propiedades superiores al,de sus componentes.

ANTECEDENTES

Las aleaciones Fe-C-Cr solidificadas con transfor-mación eutéctica pertenecen a un grupo de aleacionescomunes conocidas como fundiciones. Como es sabido,los hierros colados se caracterizan por numerosas venta-jas tecnológicas (buena fluidez, bajos puntos de fusión.etc.) sin embargo sus bajas propiedades mecánicas encomparación con otros materiales limita su campo deaplicaciones. Esto ha dado lugar a un sinnúmero deinvestigaciones tendientes a mejorar las propiedadesmecánicas de las fundiciones. Los resultados de estasinvestigaciones se muestran en la Fig. 1, e indican en

orden cronológico la resistencia a la tensión con la evolu-ción de la estructura de las fundiciones. En la figura sepuede observar que entre los años 1900-1940, la resisten-cia máxima a la tensión capaz de obtenerse en hierro noaleado era del orden de 300 MPa. El uso de inoculantesgrafitizadores en 1922 permitió elevar la resistencia delos hierros colados hasta valores de 500MPa, como resul-tado de una reducción en la tendencia a la formación de laestructura blanca y una menor fracción de grafito. El usoposterior de elementos aleantes así como los tratamien-tos térmicos del hierro inoculado dieron como resultadoun material con una resistencia máxima cercana a los1.000 MPa. Finalmente la introducci6n de elementosnodularizantes para cambiar la morfología del grafitopermitió obtener hierros de resistencias cercanas a los1.500 MPa. Esta resistencia es un límite superior en lasposibilidades de lograr mejores propiedades mecánicasen las fundiciones mediante técnicas convencionales.

FUNDAMENTOS DE LOS COMPOSITES IN SITUDE ALTA RESISTENCIA ENLAS FUNDICIONES

La baja resistencia de las fundiciones se atribuyeprincipalmente a la presencia de fases con altos conteni-dos de carbono (grafito o carbono), los cuales se conside-ran como fases frágiles. Sin embargo, en el caso degrafito, por ejemplo, se puede fácilmente establecer otropunto de vista. De acuerdo con la literatura [3] el grafitotiene una estructura de capas hexagonales (ver Fig. 2).Las fuerzas de enlace entre los átomos de esta estructurason fuertemente anisotr6picas. En la dirección (1010) las

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N EACIONESFe-e-Cr

SOLIDIFICADASUNIOlRECCIONAL

LatinAmerican Jowmai o/ MetallU'rgy and Materials. Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

3000----------------------~2700

HIERRO INOCULADOALEADO CONTRATAMIENTOTERMICO ---~If.....,.••J

-eCL~

240021001800-

Ec:::15001200900600

IIIIII

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/HIERRO/ NOOULARI TRATADO

v TERM1CAMEHT

,."-- - -..:':-:: -- -- -HiERRO-GRiS- --------300

O+-~~~--~--~--r-_.--_r~19CX) 1920 1940 1960

Fig. 1. La' evolución de la resistencia a la tensión de hierro col'ado de diferentes tipos.

ANO

energías de enlace son del orden de 420-500 kJ/mol,mientras que en la dirección (0001) existen enlaces débi-les del tipo de Van der Waals con energías del orden de 4-10 kJ/mol.

Investigaciones sobre fibras de grafito mediante-microscopía de difracción electrónica [4] muestran quelas capas (0001) son colocadas en forma paralela al con-torno de las fibras como se muestra en la Fig. 2b. De ahíresulta que' la resistencia a la tensión de los cristalesfibrosos de grafito coincida con las direcciones de mayorresistencia (1010) y por tanto es enormemente elevada(de orden 25000 MPa. [5]). Se ha demostrado tambiénque otras fases fibrosas extraídas de las piezas coladasse caracterizan por una resistencia a la tensión muy ele-vada [6], la cual aumenta a medida que sus diámetrosdisminuyen [7, 8].

En base a las consideraciones anteriores se puedepostular que la estructura óptima del hierro (desde elpunto de vista de su resistencia máxima a la tensión)debería contener una gran fracción volumétrica de fibrasunidireccionales de diámetros lo más pequeño posibles.

El objetivo de este trabajo es la aplicación delmétodo de solidificación unidireccional al sistema eutéc-

tico Fe-C-Cr y la evaluación de la resistencia a la tensiónde las estructuras obtenidas.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Las aleaciones Fe-C-Cr fueron preparadas a partirde elementos de alta pureza (99.999%) en un horno devacío. Durante la fusión del hierro, cromo y carburo, elbaño se mantuvo a una temperatura de 1.600°Cdurante30minutos y a una presión de 0.1 MPa. Posteriormente elmetal líquido fue extraído por medio de tubos de cuarzo,lo cual permite obtener barras con contenidos de cromode 30%, aproximadamente, y contenidos de carbón de1.9-3.4%.Las barras de cada una de estas composicionesfueron solidificadas unidireccionalmente en un equipoBridgman donde el gradiente de temperatura fue de150°C/cm,con razones de desplazamiento de 3.5p.m/seg.a lOS p.m/seg. Finalmente, estudios metalográficos y deresistencia a la tensión fueron hechos en pro betas maqui-nadas de las aleaciones así obtenidas.

RESULTADOS

Estudios de la estructura mediante cortes transver-sales y paralelos al frente de solidificación mostraron

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0001

1010

( a)

( b)

39

0001

Fig. 2. Red cristalina de grafito (a) y la estructura ae su fibra (b).

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que a las velocidades de crecimiento utilizadas (las cua-les se asumen iguales a la velocidad de desplazamientode la probeta con respecto del hierro) se obtienen cuatrotipos básicos de estructuras (ver Fig. 3). La estructura

tipo A contiene los carburos proeutécticos (Fe, Cr)7y es yel eutéctico y (Fe. Cr) + (Fe, Cr)7 Cs que se encuentraentre ellos. El eutéctico B fue obtenido bajo un frenteplano de solidificación, en C la estructura eutéctica fue

o

A

B

e

( a ) ( b] ( e)

Fig. 3. La estructura de los composites obtenidos; a, la forma del frente de solidificación. b y e, los cortesparalelos y transversales con respecto del frente de solidificación.

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obtenida bajo un frente celular de solidificación, y en D la .estructura cuenta con dendritas proeutécticas 'Y (Fe, Cr) .y el eutéctico mencionado. La Fig. 4 también muestracómo la estructura obtenida es fución de la composiciónquímica y de la velocidad de crecimiento.

Para poder determinar la influencia de la estruc-tura obtenida sobre la resistencia a la tensión las estruc-turas investigadas fueron obtenidas a velocidad cons-tante (2.09 x lO'3,um/seg.). Los resultados obtenidos semuestran en la Fig. 5, los cuales indican que la resisten-cia máxima se obtiene en la estructura tipo B. Estaestructura se caracteriza por una fracción volumétricamáxima de fibras unidireccionales de carburas eutécti-cosoEn las estructuras tipo A o D la resistencia a la ten-

A

sión es inferior, debido a una menor fraccién volumétrícade fibras eutécticas.

.DISCUSION y CONCLUSIONES

La Fig. 4 permite seleccionar las condiciones desolidificación de forma que sea posible obtener la estruc-tura deseada. Esta figura muestra que a medida que lavelocidad de crecimiento disminuye, el rango del conte-nido de carbón aumenta permitiendo obtener la estruc-tura tipo B ó C. Otra ventaja es la posibilidad de obtener.estructuras eutécticas puras para un cierto rango delcontenido de carbón, ya que no se requiere de la compo-.sición exacta del eutéctico, la cual no es fácil deobtener.

B e o

o10 8

6 00 o •4- o o •ulE 2 A-1~::L. 10 8o •o- 0 o

-1:;, 64 •

o

2 e10-2

1.9 2.1 2.3 2.5 27 2.9 3.13.3 3.5

e (wt. pct.)

Fig. 4. Zona de crecimiento acoplado.

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3000A 8 O

11111,')1 I l' ti')1 1111 ' ',1 I "I r- I I : 1 i1 : I ,11: 111,1 1 I II' I

1 1 !1, ¡I 1I I I I1

2000 ! I " : 1'1111 I-~ 6 • O:E-(f)t-::>

1000O

o

o~----~--------~-----------------40 60 80 100

O/o eutécticoFig. 5. La influencia de la fracción del eutéctico sobre la resistencia a la tensión para una velocidad

de crecimiento constante.

Con respecto a las propiedades mecánicas de loscomposites in situ, un parámetro importante es la dis-tancia interfibrosa (A). Esta distancia depende de lavelocidad de crecimiento de forma que a medida que éstaaumenta la distancia interfibrosa disminuye de acuerdocon la siguiente relación estadística:

A = 135.5 u' O.167[¡.Lm] (1)Donde u es la velocidad de crecimiento.

Esta relación se muestra gráficamente en la Fig. 6a.

Una medida del diámetro de los carburos fibrosostambién puede ser dada por A(a menores ASmenores diá-metros de fibras). Como la' resistencia de las fibrasaumenta al disminuir su diámetro esto significa que amenores ASmayor es la resistencia a la tensión de loscomposites obtenidos. Debido a que ,\ está relacionada

con la velocidad de solidificación la resistencia máximase puede expresar mediante:

Rm = 1723.5 uo.o528(MPa) (2)

La Fig. 6b muestra que las resistencias máximas seobtienen a las velocidades máximas, es decir (ver Fig. 6a),cuando se tienen los mínimos valores de diámetro de lasfibras. Esta resistencia tiene un valor de 2.500 MPa yestá por encima del valor máximo obtenido para hierroscolados, por lo tanto en la Fig. 1 se puede colocar unnuevo punto indicando que el límite superior en la resis-tencia de los hierros colados ha sido rebasado. De loanterior podemos concluir que las fibras obtenidas porsolidificación unidireccional (carburos de cromo) mejo-ran enormemente las propiedades mecánicas de las fun-diciones. Esto ha traído como consecuencia el desarrollode una nueva generación de materiales conocidos comocomposites in eitu, los cuales se caracterizan por unaresistencia a la tensión muy elevada.

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1.21.11.0

0.9-E '08:::L--< 0.7

Q6

0.5100

6 Fe-C-Cr

~ = 135.5 u· 0.111

101

U{lJm)sec

3500

3000 ó Fe-C-Cr-O 0.0523el. Rm =1723.5 U:E-enr-::::>

2000 .

6

1500

101

43

( a)

( b)

Fig. 6. Influencia de la velocidad de crecimiento sobre la distancia interfibrosa (a) y la resistencia a la tensión (b).

REFERENCIAS

1. E. Thornpson, F. Lemkey: Composite Materials, AcademicPresa, New YQrk. v. 4 (1974) p. 101.

2. M. McLean: lJirectionally solidified mats. for high T. service,The Metals Society, London (1983).

3. J. Minkoff: The Physical Metallurgy ofCast Iron, John Wiley andSons. New York (1983).

4. D. Double. A. Hellawell: The Metallurgy of Cast Iron. GeorgiPublishing Cornpany, Sto Saphorin (1975), p. 509.

5. G. Piatti, R. Matera and R. Pelegrini: Advances in compositematerials, Applied Science Publishers, London, 1978, p. 53.

6. F. Lemkey, R. Kraft: Review Science Instruments, v. 33, N- 6(1962), p. 846.

7. S. Brener: Fibre Composite Materials, Metals Park, Ohio, 1965.

8. E. Kendall: Composite Materials, Academic Press, V. 4, 1974.