Universidad Nacional Autónoma de

México

Facultad de Química

Asignatura: Laboratorio de Fundición

Profesor: Adrián Amaro Villeda

Reporte de Laboratorio: Práctica Núm.2

“Hierro Gris y Hierro Nodular”

Alumno: Escalante Flores Miguel Angel

Núm. De Cuenta: 30606324-0

Laboratorio de Fundición

Practica de Laboratorio: “Fabricación de Hierro Gris y Hierro Nodular”

Introducción.

Hierro gris

Aleación ternaria Fe-C-Si con más del 2% de C y contenidos de Si entre 1 y 4 %. Adquieren su forma definitiva directamente de colada y no pueden someterse a trabajos metal mecánicos de deformación ni en frío ni en caliente. El hierro gris es el hierro comercial ordinario llamado así, por el color grisáceo de su fractura.

Su coloración grisácea es debido a que el carbono se encuentra principalmente en forma de grafito escamoso, además del que forma la perlita, (carbono total Ct =C grafito + C Fe3C). El hierro gris es fácil de labrar y tiene una alta resistencia a la compresión.

La resistencia a la tensión varía de 1400 a 4200 Kg/cm2, pero la ductilidad es baja, es por tal motivo que solo se producen piezas fundidas o coladas y no por deformación plástica.

Los porcentajes de los diferentes elementos, pueden variar considerablemente pero en general se encuentran dentro de los siguientes límites.

Elemento Porcentaje en pesoCarbono 3.00-3.50%Silicio 1.00-2.75%Manganeso 0.40-1.00%Fósforo 0.15-1.00%Azufre 0.02-0.15%Hierro El restante

Al observar una probeta pulida a través de un microscopio aparecerán líneas obscuras, son pequeñas hojuelas de grafito, las cuales proporcionan en gran parte la resistencia del hierro a los esfuerzos antes mencionados.

La resistencia del hierro gris, es mayor si estas hojuelas son pequeñas y distribuidas uniformemente a través del metal.

Tipo DescripciónA Distribución uniforme, orientación aleatoria.B Agrupados como roseta, orientación aleatoria.C Grafito sobrepuesto, orientación aleatoria.D Segregación interdentrica, orientación aleatoria.E Segregación interdentríca, orientación preferida.

El tipo A es generalmente el preferido, es asociado con las mejores propiedades mecánicas.El tipo B tiende a ser ferrita como en el centro de la roseta.El tipo C ocurre con hierros de alto contenido de carbono (hipereutécticos), los cuales son buenos en aplicaciones de impacto a altas temperaturas, pero tienen una baja resistencia y superficie granular cuando es maquinada.El tipo D ocurre en hierros con alto contenido de silicio que son rápidamente enfriados y conducen a la formación de una matriz ferrítica, este tipo de hierro es excelente para maquinar, pero tienen poca resistencia al desgaste.El tipo E ocurre frecuentemente en hierros con un bajo contenido de carbono. Es indeseable, no se puede maquinar por ser tan duro.

La microestructura es factor primario en determinar la dureza del hierro gris. Un gran rango de dureza Brinell es obtenido con varias estructuras de hierro.

Los factores que permiten controlar la formación de las hojuelas de grafito son los siguientes:

Velocidad de Enfriamiento: la velocidad de enfriamiento debe ser baja, de lo contrario, estaremos formando una matriz martensitica (templado) lo cual le da dureza a las piezas y fragilidad.

Composición Química: (C.E.) A bajos contenidos de carbono, estaremos produciendo piezas duras, es decir, solo estará formado el carburo de hierro, sin la presencia de grafito laminar, lo cual nos aproxima a la producción del hierro blanco, lo cual deteriora la maquinabilidad del producto y eleva su punto de fusión.

Tratamiento del Metal Líquido, Inoculación: este método tiene gran influencia en la formación del grafito laminar, ya que el silicio es un grafitizante y al agregarlo adecuadamente, el grafito laminar se estará formando homogéneamente. De lo contrario solo habrá secciones con grafito laminar y piezas con deficiencia de grafito laminar.

Adicionalmente Refina el tamaño del grano, en la práctica el objetivo de agregar inoculentes es el de llevar a cabo un tamaño de grano fino, y entonces otras variables como la concentración de partículas de nucleación también llega a ser importante.

Cuando una pieza tiene secciones delgadas y gruesas se puede presentar Fe3C o zonas blancas, es debido a una inoculación deficiente, por lo que se opta por la adición aleaciones Fe-Si; la inoculación se realiza poco antes del vaciado. Para inoculantes especiales: 0.1 – 0-3% del peso de la olla de vaciado (contenido).

Contenido de Fósforo: Esteadita (Fe3P) punto de fusión 960°C, se encuentra presente en los hierros cuando no se controla el contenido del fósforo (cantidad superiores al 0.15% P) y segrega en la últimas áreas en solidificar (límite de granos).

Así como los carburos son duros y frágiles, deteriorando las propiedades mecánicas y de maquinado.

El fósforo en cantidades de 0.35% incrementa el esfuerzo a la tensión, reduce la maquinabilidad y puede causar dispersión interna y porosidad.

Elementos Aleantes

Entre los elementos de aleación existen unos que favorecen la formación de grafito y otros que promueven los carburos, llamados estabilizadores de carburo.

GRAFITILIZANTES ESTABILIZADORES DE CARBUROS

(Disminuyen le dureza) (Aumentan la dureza)Carbono CromoNíquel MolibdenoFósforo ManganesoCobre Vanadio

Silicio

Los contenidos de carbono y silicio establecen la ubicación de la fase eutéctica y dicha localización corresponde a la ecuación:

Eutéctico (C.E.) = %C +1/3% Si.

Dado que el fósforo es grafitizante, se agrega su efecto en la determinación del eutéctico:

Eutéctico (C.E.) %C + 1/3 Si +1/3 % P

La ecuación anterior define la posición del eutéctico en una aleación multicomponente y se le conoce como “Carbono Equivalente”. Termino utilizando paras describir la relación de un hierro con el punto eutéctico o la eutecticidad del hierro. De lo contrario, tendríamos que contar con diagramas terciarios o cuaternarios, así dependiendo del contenido de elementos aleantes, lo cual sería prácticamente imposible.

Si el carbono equivalente es menor a 4.3, hablamos de hierros hipoeutécticos.

Si el carbono equivalente es mayor a 4.3, hablamos de hierros hipereutécticos.

Efecto de los principales elementos de aleación

Manganeso: promotor de carburos, moderado hasta 0.70%, es promotor de perlita.

Magnesio: promotor de carburos, agregado en bajas cantidades al baño metálico 0.05% de magnesio residual, modifica la estructura del grafito de laminar a nodular.

Cromo: promotor de carburos y perlita. Elemento indeseable en la elaboración de hierro gris y nodular.

Vanadio: mejora las propiedades de dureza y resistencia a la tensión, pero genera carburos. Se usa en concentraciones menores a 0.3%.

Plomo: deteriora las estructuras del grafito laminar, generando un grafito wittmastaten (grafito con ramificaciones), aun a bajas concentraciones, es elemento indeseable.

Cobre: fuerte promotor de perlita y dureza.

Silicio: incrementa el potencial de grafitización y mejora la distribución del grafito. Disminuye además la resistencia a la tensión, el silicio, tanto en el hierro gris como en el hierro nodular debe estar presente en concentraciones de 1.80-2.80%. Este elemento es resistente a la oxidación, producto de las reacciones del hierro con el medio ambiente.

El contenido del silicio interactúa con el carbono en el hierro, controlando el carbono equivalente, tanto en el hierro gris como en el nodular. Incrementa el número de esferoides y decremento el tamaño de celdas en el hierro nodular, para facilitar la nucleación del grafito.

La microestructura es factor primario en determinar la dureza del hierro gris. Un gran rango de dureza Brinell es obtenido con varias estructuras de hierro.

Tipo Dureza Brinell

Hierro gris ferrítico 110-140

Hierro austenítico 1 40-160

Hierro gris blando 140-180

Hierro perlítico 160-220

Hierro perlítico con baja aleación 200-250

Hierro martensítico 350-450

Hierro blanco 280-500

Hierro aleado 450-500

Hierro blanco martensítico 550-700

Hierro Nitrurado (superficialmente) 900-1000

La cantidad, tamaño, distribución y tipo de grafito, influyen en la dureza del mismo. Incrementando el carbono equivalente (carbono y silicio), disminuye la dureza.

Los elementos de aleación que influyen en la dureza son aquellos que hemos denominado como estabilizadores de carburos.

Las propiedades de fatiga del hierro gris exhiben excelente comportamiento de fatiga bajo una variedad de condiciones, la fatiga es el límite del esfuerzo de un metal sin fracturarse después de un largo número de ciclos, los valores para el hierro gris son del orden de 12000 a 32000 psi.

El efecto de las altas temperaturas en las propiedades del hierro gris hasta 425°C (800°F) es insignificantes. El resultado disponible a temperaturas menores a -45°C, indica aproximadamente un 25% de incremento en el límite de endurecimiento cuando la temperatura decrece de 25°C a - 45°C.

La resistencia al desgate es definida como la desintegración física y mecánica de una superficie por el contacto con otro material, los tipos de desgaste pueden ser diferenciados:

1. Desgaste friccional que ocurre por una unión entre dos metales en contacto.

2. Abrasión producida por la presencia de partículas exteriores duras, como pueden ser piezas de metal o materiales abrasivos.

3. Desgaste por rodado, en el cual dos superficies están en contacto rodando con un mínimo de fricción, como los dientes de un engrane.

4. Desgate por corrosión que ocurre en presencia de un medio corrosivo.

La micro estructura ejerce considerablemente influencia en la resistencia al desgaste, pero la cantidad y forma del grafito influye en esta resistencia; muy fino y distribución no uniforme del grafito, no da buena resistencia al desgaste.

Para ello, los tipos B y E son indeseables, porque tienen una matriz considerablemente suave de ferrita; para la resistencia al desgaste es recomendable tener hierro tipo A y D.

El cobre y el níquel tienen poca influencia en el desgaste, pero cuando son usados con cromo y molibdeno, ayuda a mejorar la resistencia al desgaste considerablemente.

El fósforo decrementa la resistencia al desgaste

Propiedades del Hierro Gris a Bajas Temperaturas

Las bajas temperaturas solo ejercen poca influencia en las propiedades del hierro gris. Esfuerzos a la tensión y dureza Brinell se mantienen o incrementen un poco a temperaturas menores a cero. El exceso de silicio en el hierro gris da fragilidad a bajas temperaturas.

La resistencia a la corrosión

La corrosión es una reacción electroquímica entre un metal y sus alrededores. La presencia de sales, ácidos, sustancias orgánicas o álcalis frecuentemente incremente la velocidad de corrosión.

Bajo algunas condiciones el hierro formara una película que se adhiere para reducir la velocidad del ataque.

La corrosión puede ser uniforme o selectiva que produce picaduras. Cuando la corrosión es uniforme, la velocidad de ataque es usualmente expresada en mil por año (1 mil = 0.001 plg) Cuando el metal es sujeto a picadura o corrosión localizada la máxima picadura es el factor significativo.

La presencia de grafito y alto contenido de silicio causa la principal diferencia entre la corrosión del hierro gris y acero.

El hierro gris tiene poca resistencia en un medio ácido, la velocidad de corrosión es muy alta en ácido clorhídrico en todas las concentraciones y temperaturas. En ácidos muy diluidos la presencia de aire y otros agentes oxidantes incremente la corrosión.

En algunos casos con ácidos concentrados como el sulfúrico, nítrico, crómico y fosfórico, el hierro puede formar una capa protectora que da satisfactoriamente resistencia a la corrosión. En agua blanda, la corrosión del hierro es casi nula.

La corrosión del agua industrial sin embargo, depende de lo que trae disuelta el agua, la corrosión se agudiza cuando hay altos contenidos de ácidos y alcalinos.

El agua de las minas con sales ferríticas disueltas pueden ser muy corrosiva al hierro gris la corrosión en agua de mar es relativamente baja de 5 a 10 mil por año

Resistencia a la abrasión Carbono 3.2 -3.6 %

Resistencia al impacto Carbono 2.7 - 3.2 %

Esfuerzos Térmicos Carbono

Silicio

Manganeso

3.6 - 3.9 %

1.5 - 2.4 %

0.4 - 0.7 %

Aplicaciones

Los usos bajo los cuales el hierro puede ser satisfactoriamente empleado bajo condiciones de corrosión, deben verse el bajo costo y espesor de las secciones, donde se incremente su vida útil dado el servicio más económico.

Los requerimientos individuales para cada aplicación deben ser considerados en determinar las especificaciones del hierro adecuado.

Hierro Nodular

En la actualidad hay cinco diferentes especificaciones para el hierro nodular, las propiedades mecánicas y composición química son mostradas a continuación:

El 80 -55 -06, es et grado perlítico y usualmente contiene aproximadamente 70% de perlita, junto con algo de ferrita.

El 100 -70 -03 es 95% perlítico y puede ser producido con contenidos de manganeso o cobre o por normalizado.

El 65 -45 -12 es un grado que parcialmente contiene arriba de 60% de ferrita.

El grado 60 -40 -18 es un grado ferrítico y no debe contener más de 5% de perlita.

La estructura de la matriz del hierro nodular puede ser controlada por medio de composición química, velocidad de enfriamiento en el molde y tratamiento térmico para producir los diferentes grados antes mencionados.

Influencia de los elementos aleantes.

Magnesio: Produce grafito nodular, el uso excesivo de este elemento provocará carburos.

Calcio: Es ligeramente soluble en el hierro, en la inoculación promueve la formación de grafito esférico en combinación con el magnesio.

Oxigeno: Incrementa los requerimientos de magnesio para la reacción de nodularización, ya que forma óxidos, para grado ferrítico la cantidad máxima es de 0.003% y para el grado perlítico 0.003% máximo.

Hidrógeno: Causa porosidad (pinhole), es un estabilizador de carburos, es decir que incrementa la dureza de la pieza, afectando así su maquinabilidad, las cantidades máximas empleadas para ambos grados, es decir perlítico y ferrítico es de 0.009%

Carbono: Constituyente primario del hierro nodular, en exceso genera flotación de grafito. El carbono equivalente en exceso (arriba de 4.3) en secciones de 'h pulgada de espesor causa flotación de grafito.

Silicio: Es un grafitizante y por lo tanto ferritizante, promotor de ferrita a cantidades aproximadas a 2.50%, da resistencia a fa ferrita y reduce la resistencia al impacto. Los valores de composición son, para el grado ferrítico 1.80 -2.90% Y para el grado perlítico de 1.80 a 2.75%

Fósforo: Reduce la elongación, es un estabilizador de perlita. Los contenidos son, para el grado perlí1ico 0.050% máx., y para el grado ferrítico 0.030% máx.

Azufre: Es un elemento indeseable en el hierro nodular, ya que reacciona con el magnesio, formando MgS, evitando la reacción de nodularización, el contenido máximo para ambos grado es de 0.020 %.

Manganeso: Es un estabilizador de perlita, es decir, que da dureza a las piezas, los contenidos máximos son, para el perlítico 0.65% y para el ferrítico de 0.20%

Níquel: Incrementa la resistencia al esfuerzo a la tensión, es formador de perlita y fortalecedor de secciones pesadas, las cantidades son, para et ferrítico: tan bajo como sea posible con un máximo de 0.040% y en el perlítico según las especificaciones.

Molibdeno: Incrementa la dureza al ser un promotor de perlita; las cantidades son para el ferrítico 0.03% máximo y para et perlítico según las especificaciones.

Cobre: Incrementa el esfuerzo a la tensión, es un estabilizador de perita, causa mucha dureza a cantidades de 1.0 a 1.5%. Para el ferrítico 0.03% máximo y para et perlítico según las especificaciones.

Cromo: Es un potente formador de carburas, retarda el recocido. Para el ferrocromo 0.04% máximo y para el perlítico 0.09% máximo

Muchas fundiciones producen hierro nodular, como un producto secundario de! hierro gris, para producir el hierro nodular, es de vital importancia desulfurar el hierro gris para tratarlo posteriormente con algún método con magnesio.

Hay cuatro factores importantes los cuales influyen en la producción de carburos, en ambos grados, perlítico y terrífico, estos son:

Composición del hierro base

Materiales tratados

Técnicas utilizadas

Temperatura de tratamiento

Probablemente el más importante es la composición del hierro base. La cantidad de elementos estabilizadores de carburos y perlita presentes en el hierro base, determina el tipo de microestructura y propiedades mecánicas que se desarrollaran en el hierro nodular, asumiendo que el carbono y silicio permanecen constantes. Por ejemplo cuando el manganeso este presente arriba de 0.65% se formara carburos disminuyendo sus propiedades mecánicas. Cuando el manganeso supera los 0.65%, la

cantidad de perlita en la matriz se incrementa a un 100%. Esto causa que el esfuerzo a la tensión y cedencia se incrementen, mientras que la elongación disminuye.

Cuando el contenido de manganeso disminuye lo más próximo a cero, la cantidad de ferrita en la matriz del hierro se incrementa. Esto causa que el esfuerzo a la tensión, cedencia y la elongación se incrementen.

Todos los demás estabilizadores de perlita influyen en las propiedades mecánicas del hierro nodular en una forma similar.

Se da una lista de estabilizadores de carburos o perlita enconuados en el hierro nodular, con sus límites máximos.

Elemento % En grado Ferrítico % En grado PerlíticoManganeso 0.09 -0.20 0.40 – 0.65

Cromo 0.03 0.03 – 0.12Molibdeno 0.03 0.40

Cobre 0.003 0.25 – 0.75Fósforo 0.04 0.06

En grados perlíticos, relativamente altos niveles de elementos estabilizadores de peT1ita pueden ser tolerados. Por ejemplo el total acumulado de manganeso, cobre, níquel, vanadio, molibdeno y fósforo superan el 1.0%

La composición del hierro base para nodular, requiere un control muy estricto, el hierro base debe tener un alto grado de pureza y contener relativamente bajos niveles de elementos que disminuyan la formación del grafito esférico.

La composición química requerida para la base del hierro nodular de alta calidad es la siguiente:

Composición de hierro base para nodular ferrítico

Carbono 3.60 -3.85%

Silicio 1.80 -2.90%

Manganeso 0.10 -0.20%

Fósforo 0.03% máximo

Azufre 0.02% máximo

Composición de hierro base para nodular Perlítico

Carbono 3.60 -3.80%

Silicio 1.80-2.75%

Manganeso 0.40 -0.60%

Fósforo 0.05% máximo

Azufre 0.02% máximo

Níquel 0.0 -1.50%

Cobre 0.0 -0.60%

Los materiales que se pueden emplear en la fusión para producir hierro nodular para ambos grados (perlítico y ferrítico), son los siguientes:

Materiales para producir hierro nodular perlítico

Retomo de hierro nodular

Arrabio bajo en fósforo

Chatarra de acero hasta 0.60% de manganeso

Materiales para producir hierro nodular ferrítico

Retomo de hierro nodular

Arrabio bajo en fósforo

Chatarra de acero hasta 0.35% de manganeso

Es importante para entender porque se debe agregar cada material:

-Retorno de hierro nodular

La carga es de aproximadamente el 50%, es muy importante que este retorno sea separado de otro tipo de hierros, sí esto no es hecho, la base del hierro nodular será contaminada, por esto es absolutamente necesario que el retorno de hierro nodular sea separado del hierro gris.

Arrabio bajo en fósforo y azufre:

Uno de los factores más impor1antes en la producción de hierro nodular es la reducción de grafitizantes y estabilizadores de carburos, y tener los en los niveles mínimos, es por eso que se emplea el arrabio baja en fósforo y manganeso, con alta pureza para diluir los elementos residuales, puede ser hecho introduciendo de 15 a 30% de arrabio.

-Chatarra de acero:

El nivel de manganeso en el hierro nodular es responsable de la cantidad de perlita presente en la matriz del hierro; los tipos de chatarra contienen de 0.50 a 0.70% de manganeso y deben ser usados en la producción de grados perlíticos como lo son: 80 -55 -06 y 100 -70 -03, si se dispone de chatarra de acero con bajos contenidos de manganeso, pueden ser usado para producir hierro nodular ferrítico con contenidos de manganeso de 0.15 a 0.25%.

Fusión del hierro base

La fusión en hornos de inducción se produce rápido, sin contaminación, limpio, Sn la influencia de las reacciones químicas del combustible y teniendo un estricto control de la composición del metal.

El límite de la temperatura del: horno es controlado por el refractario. Una característica especial del horno es la auto-agitación.

Los materiales usados son: retorno de hierro nodular, chatarra de acero, ferro-silicio y carburante.

Un alto subenfriamiento es perjudicial porque forman carburos

Claramente muestra, evitar calentamientos del hierro arriba de 1480 ° C siempre que sea posible y como esto es inevitable, hay que mantener el hierro fundido aproximadamente de 1450 a 1480°C el menor tiempo posible.

Condición previa y desulfuración

Envuelve una serie de objetivos que son: desoxidación, nucleación, recarburización y desulfuración.

La nucleación y desoxidación del hierro base puede ser realizada con una pequeñita adición de carburo de silicio o calcio, previo al tratamiento con magnesio, sí el baño metálico tiene mucho oxígeno disuelto, el magnesio combina con el oxígeno y formará oxido de magnesio (MgO). Como resultado, requerirá magnesio adicional para el tratamiento.

Sí el tratamiento de desulfuración no es posible, se debe tratar antes de magnesio con pequeñas cantidades de tierras raras o aleaciones de silicio con tierras raras, tales como CSF -10. Una aleación que contiene de 9 a 11 % de Ce o 12 a 15% total de tierras raras.

Las tierras raras se combinan con el azufre en el hierro para formar sulfuros estables, los cuales no se combinan con el magnesio.

Desulfuración

La desulfuración es una de las bases necesarias para esferoidizar el grafito. Todos los elementos esferoidizables del grafito conocidos se combinan con el azufre formando compuestos muy estables (MnS), es decir, el agente nodulizante, puede ser usado como desulfurante.

Cuando el hierro base tiene alto contenido de azufre es necesario un tratamiento de desulfuración.

Los desulfurantes más comunes son CaC2 y l Na2CO3

CaC2+S= CaS + 2C

S + Na2CO3 + 2C = Na2S + 3CO

La eficiencia de la desulfuración se incrementa al incrementar la temperatura. En teoría para remover 0.1% de azufre, solo 0.2% de CaC2 es necesario.

Desulfurantes como el sodio, calcio y magnesio, son baratos tienen altas presiones de vapor y baja solubilidad en el hierro, lo que lleva a altas perdidas por evaporación.

Porcentaje en peso de desulfurantes necesarios para reaccionar con 0.01% de azufre:

Elemento

Magnesio: 0.008%

Calcio: 0.013%

Cromo: 0.044%

Lantanido: 0.043%

Parámetros que gobiernan la cantidad de azufre en el baño metálico son:

1) Cantidad de azufre en la carga metálica

2) Paso de la escoria en relación con el hierro

3) Basicidad de la escoria

4) Cantidad de silicio en el hierro

5) Contenido de carbono en el hierro

El silicio y el carbono tienen la relación inversa, es decir, al aumentar las cantidades de C y Si, favorecen la desulfuración.

Recarburación

Los factores que determinan la eficiencia de la carburización de la base del hierro nodular son:

1.- Temperatura del metal fundido, altas temperaturas son mejores

2.- Calidad y tamaño del agente carburante

3.-intimidad de! contacto entre el baño metálico y e! agente carburizante

El silicio disminuye la solubilidad del carbono en el hierro líquido, si es necesario agregar ambos, primero se debe realizar la carburización y posteriormente el silicio, es tratar el hierro base con bajos contenidos de azufre, menores al 0.02%.

El magnesio reacciona violentamente. Esto es debido a la baja temperatura de evaporación del magnesio, la cual es 1120 °C.

Cálculos del tratamiento con magnesio

Teóricamente 1.3 Kg de magnesio se combinara con 1 Kg de azufre.

El factor de eficiencia requerido para esos cálculos son determinados por la experiencia, las ecuaciones usadas para el' cálculo son las siguientes:

% Magnesia requerido := (%Magnesio deseado/rendimiento(decimal)) + % azufre en el metal

% Nodulizante = % Magnesio requerido / % magnesio (decimal) de la ferroaleación

METOOO DEL SANDWICH

Envuelve el magnesia tratado en una depresión localizada en el fondo de la olla y recubriéndolo con rebaba o pequeños recortes de acero.

La experiencia con este método muestra que da mejores resultados que los obtenidos con el de olla cubierta. La reacción ocurre bajo la superficie del metal fundido, hay menos oportunidad de perdida de magnesia por oxidación que en otros métodos.

El resultado final es un hierro tratado con alto contenido de magnesia por unidad de aleación agregada y poca perdida de temperatura, que ocurre con otros métodos de adición. Es importante que la rebaba o recorte de acero tenga un espesor de 2 mm a 4 mm, ya que tiene un poco tendencia a flotar.

El tamaño del nódulo y es muy importante, un tamaño uniforme del orden de 25 mm x 3 mm es ideal., grandes tamaños reaccionan demasiado lento y puede causar excesiva turbulencia después en la reacción.

Las temperaturas de 1450 a 1480 °C pueden ser utilizadas eficientemente

Inoculación

Es un paso necesario en la producción de hierro nodular, Hierros tratados sin inoculación son casi completamente carburicos (blanco), y el grafito ha generado una forma residual, donde no es necesariamente esférica. La inoculación es un paso importante en la producción de grafito esférico y debe ser hecho con el mismo cuidado precisión que el tratamiento con magnesio.

Para el caso del hierro nodular la inoculación promueve cristalización o la formación de grano nodular de grafito, la supresión de formación de carburos. En la inoculación, pequeñas partículas de grafito son precipitadas en el metal por la adición de un fuerte grafitizante tal como lo es Ferro-Silicio.

La temperatura mínima para la máxima eficiencia de la inoculación es 1425 °C.

El tamaño más efectivo para la inoculación (de ferro silicio) es de 10mm x 2mm

El mejor método de inoculación de hierro con magnesia, consiste en agregar ferro-silicio al chorro durante el vaciado de la olla de reacción a la de vaciado o trasferencia, en la medida en que sea posible, cada partícula de silicio es provista con una porción de hierro por tratar.

Una forma menos deseable consiste en agregar el ferro silicio en el fondo de la olla, en este caso hay pérdidas considerables del inoculante.

La cantidad de inoculante requerido depende la composición del inoculante.

Para inoculantes típicos 0.2 a 0.45% del peso del metal a ser tratado

Inoculante % Si % Ca % AlFeSi al 75% 76 0.75 1FeSi al 50% 47 0.2 1

CaSi 62 30 1

Influencia del tiempo

Una muy fuerte influencia sobre los efectos de inoculación es causada entre el tiempo de inoculación a vaciado.

Es muy importante que el tiempo máximo entre inoculación y vaciado sea establecido y estrictamente controlado, normalmente los tiempos límite son entre 4 y 10 minutos.

La eficiencia de la inoculación disminuye al incrementarse la temperatura

Objetivos

• Fabricar un Hierro Gris clase 50 Sección Ligera con grafito tipo A

• Fabricar un Hierro Nodular 80-55-06

• Evaluar metalográficamente los hierros fabricados.

Resaltados

Para la fabricación del hierro gris clase 50, se tiene una composición química con los valores promedio las siguientes para cada elemento.

Clase 50 SL C (%) Si (%) P (%) S (%) Mn (%)Rango 2.9 – 3.1 1.7 – 2.1 0.1 – 0.2 0.06 – 0.12 0.5 – 0.7Promedio 3 1.9 0.15 0.09 0.6

Para dicha fundición, se realizaron dos vaciados distintos. Donde cada uno presento diversas condiciones, tanto de temperatura de vaciado como el empleo de inoculante o ausencia del mismo.

Para la primera fundición se tuvo el problema con la instrumentación, lo cual hizo imposible vaciar a la temperatura adecuada. Para determinar la temperatura de vaciado, se hace uso del término de Carbono equivalente y el uso de un diagrama de fases de Fe-C.

CE∗¿%C+0.33 (%Si )+0.33 (%P )

CE∗¿3+0.33 (1.9 )+0.33 (0.15 )=3.68%C

Dando como resultado una temperatura de cercana a los 1350°C

Clase 50 SL C (%) Si (%) P (%) S (%) Mn (%)Rango 2.9 – 3.1 1.7 – 2.1 0.1 – 0.2 0.06 – 0.12 0.5 – 0.7Preliminar 1 2.71 1.64 0.0203 0.0703 0.4101Preliminar 2 3.066 1.699 0.0264 0.0677 0.506

Como se puede observar en las composiciones químicas de las muestras tomadas, el elemento que sale por debajo de la composición química es el C, por norma, nuestra fundición no cumple con los requerimientos.

Sin embargo, se pudieron a ver realizado distintos ensayos mecánicos, para poder determinar las propiedades del material y así poder rechazarlo o aceptarlo con un mayor número de argumentos, aunque bajo las condiciones en la que se realizó el experimento, era muy probable que no se diera el resultado deseado, además de nuestra falta de experiencia.

Adicionalmente al fracturar las muestras, se puede observar como el primer vaciado ni siquiera da como resultado una fundición gris, sino una blanca.

Fotografías de la fundición que dio como resultado la fundición blanca. Esto se puede justificar con el bajo contenido de carbono, lo que nos da como resultado la formación de carburos y no del grafito.

Para el segundo vaciado, donde se realiza el tratamiento de inoculación, se perciben cambios importantes en el material fundido, ya que en las cuñas se comienza a tener fundición gris. Aquí podremos comparar y determinar que el contenido de carbono en la pieza es determinante para la producción de un hierro gris.

Ya con estas cuñas se puede realizar la prueba, ya que es posible determinar las dimensiones de las zonas grises y blancas, las cuales dan como resultado:

B(mm) W(mm)W1 5 -W2 10.2 6W3 19.1 -W3/2 25.4 15W4 31.8 16

Incluso nuestra aleación al ser observada al microscopio se puede ver la usencia de grafito tipo A, esto debido a una inoculación inapropiada , lo que nos da como resultado la presencia de grafito E y D como se muestra a continuación.

Como se puede observar en las imágenes, nuestra muestra.

En la fotografía se observa claramente la presencia de ambos tipos de grafito, por consiguiente se esperaría que las propiedades del material no fueran uniformes, ni homogéneas en todas las secciones y direcciones de la pieza.

Al comparar el tamaño de hojuela quedo definida con un tamaño número 5

Hierro Clase 50 Sección Lijera, 100x, sin ataque

Una vez observado el grafito y determinado su tipo y tamaño, se procede a evaluar la matriz, para ser observada se atacó la muestra con Nital 3.

Se ha determinado que la matriz se compone mayoritariamente por perlita, aunque se presentan ciertas zonas con ferrita. En porcentajes se define como 95%Perlitico – 5%Ferritico.

Para esta fundición, se mostraron el efecto de la adición de inoculante y sin inoculante.

Como se puede observar la fundición a la que no se ha realizado la inoculación, se presentó la formación de fundición blanca, Esta transformación se presenta debido a que al no añadirse inoculante, no se ha producido una disminución del subenfriamiento a la hora de irse solidificando la pieza.

Adicionalmente, al no poder determinar la temperatura, se pudo vaciar el metal líquido por debajo de la temperatura indicada, además de que al ser nuestro primer vaciado, se pudo demorar mucho tiempo el llenado de molde, es decir que el metal permaneció mucho tiempo en contacto con el aire, lo cual produciría una mayor velocidad de enfriamiento y con ello mayor subenfriamiento.

Evitar este subenfriamiento nos garantiza que en el líquido al ir disminuyendo su temperatura, se produzcan un mayor número de centros de nucleación y que el grafito no reaccione formando Fe3C. Estos centros de nucleación son producidos por el Si presente en la aleación inoculante, que si tendrá una eficiencia distinta de acuerdo en el momento que se añada en el baño metálico.

Para este experimento, nos ha dado un mejor resultado la post-inoculación, ya que el Si no pierde su efecto para formar centros de nucleación,

Para lo producción del hierro nodular, se empleó el método del sándwich para la adición del nodulizante.

Los resultados que se obtuvieron fueron buenos debido a que se obtuvo la composición química deseada y la presencia del carbono en forma de esferoides.

El objetivo es la formación de hierro nodular 80 -55-06 el cual tiene una composición química:

MATERIAL %C %Si %P %S %Mn %Cu %Mg

H.N.G. 80-55-06 Para fabricar

3.5 3.9

2.2 2.7

0.05 MAX

0.015 MAX

0.20 0.50

0.20 0.40 0.045

Para obtener la composición, se realizó el siguiente balance de carga.

Balance de Carga para Hierro Nodular

%Mgaadicionar= %Mgdeseado

%Mgrecuperado (1100

)+%S enmetal base

Máximo de Silicio 0.015%

%Mgaadicionar=0.045%Mg

45% ( 1100 )+0.015%S=0.115%MgrequeridoParaunabase de100Kg

ParaOllade16Kg→0.0184KgdeMgParaOllade20Kg→0.0230KgdeMgParaOllade50Kg→0.0575KgdeMg

Cantidad de Fe-Si-Mg

Olla16Kg :(0.0184Kg ) (100 )

6.42=0.2866KgOlla20Kg :

(0.0230Kg ) (100 )6.42

=0.3583Kg

Olla50Kg :(0.0575Kg ) (100 )

6.42=0.8956Kg

Determinar los Kg de Si que aporta el Fe-Si-Mg, sabiendo que el Si compone el 45.43%

Olla16Kg :(45.43%Si ) (0.2866Kg )

100=0.1302Kgde Si

Olla20Kg :(45.43%Si ) (0.3583Kg )

100=0.16275Kgde Si

Olla50Kg :(45.43%Si)(0.8956Kg)

100=0.4069Kgde Si

Esta cantidad de Silicio representa el 0.81376%, el requerido en la composición final es 2.45%Si

%Si requerido enhorno=2.45%Si−0.81376%Si−0.05%Si=1.43%Si

Para 100Kg

Para Si

1.43%Si=Ch1( 2.45%Si total100 )+Ch2( 0.03%100 )100Kg=Ch1+Ch2

Resolviendo el Sistema de dos ecuaciones y dos incógnitas se tienen los resultados

Ch1=58.109KgCh2=41.89Kg

ParaOllade50Kg :(50Kg ) (58.109KgCh1 )

100Kg=29.054KgCh1

araOlla de50Kg :(50Kg ) (41.89KgCh2 )

100Kg=29.054KgCh2

Para Mn

0.718125Kg necesarios para 50Kg

Ch129.226Kg( 0.55100 )=0.16743KgCh215.774Kg( 0.162100 )=0.0255KgCh35Kg( 0.466100 )=0.0233Kg

0.209593KgMnson el0.419%Mn

Para la adición de inoculante se emplearon un 0.20%Si total

Para la primer olla se dividió en 0.15%Si inoculación primaria + 0.05%Si post inoculación

Para la segunda olla se dvidio en 0.10%Si inoculación primaria + 0.10% post inoculación

Con dichas cantidades, se obtuvieron las siguientes composiciones.

MATERIAL %C %Si %P %S %Mn %Cu %Mg

H.N.G. 80-55-06

3.5 3.9

2.2 2.7

0.05 MAX

0.015 MAX

0.20 0.50

0.20 0.40

0.045

Preliminar 1 3.934 1.546 0.0153 0.0127 0.2650 0.1118 <0.000

Olla 1A Final 3.547 2.439 0.0418 0.0099 0.2701 0.2610 0.0303

Olla 1B Final 3.588 2.461 0.0164 0.0103 0.2697 0.2638 0.0272

Como primera observación hemos de notar que las composiciones finales de nuestra fundición, cumple con las especificaciones requeridas, esto nos indica una adecuada técnica de fundición y un balance apropiado de la carga. Pero esto no nos indica si el grafito ha formado nódulos o no.

Por consiguiente a continuación se muestran las fotografías de las metalografías realizadas.

Hierro Nodular 80-55-06, Olla1A, 100x sin ataque

Como se puede observar, las fotografías se ven similares, se puede notar una buena formación de nódulos en la pieza, y con una densidad de nódulos aproximada de 50 nódulos por milímetro cuadrado. Aunque en tamaños tiene más parecido a los nódulos de tamaño 6.

Con esto se puede determinar que nuestro material es un hierro nodularcon nódulos de tamaño 6 y con una densidad de 50 nódulos/mm2

Para la olla 2 se tiene una apariencia similar como se muestra en las siguientes fotografías.

Hierro Nodular 80-55-06, Olla2A, 100x sin ataque

Hierro Nodular 80-55-06, Olla 1, 100x sin ataque

En cuanto a diferencias que podemos encontrar, aunque sean mínimas, es en la nodularidad de cada muestra, teniendo los patrones en el laboratorio, se ha determinado que la olla 1 muestra una nodularidad de 90% mientras que para la olla 2 se tiene un 85%

Para finalizar el análisis de nuestras piezas, se realiza el ataque de las metalografías empleando Nital 3

Ambas imágenes se ven a las encontradas en el atlas de metalografías, y hemos determinado que presenta una matriz 50 %Perlítica y 50% Ferrítica.

Conclusión

Estos hierros nodulares, por apariencia metalográfica y por composición química, se podrían aceptar sin embargo todavía sería necesario la realización de algunos ensayos mecánicos y determinar una función específica, para así comparar las propiedades de nuestras fundiciones con las requeridas.

Es de vital importancia tener en cuenta las propiedades que se buscan a la hora de realizar una fundición, ya que muchas veces son las que determinan si la piezas son aceptadas o rechazadas, mientras que una pieza aceptada genera ganancias económicas, una pieza desechada genera pérdidas económicas, de insumos, energéticas y horas hombre.

En cuanto a las fundiciones grises, no las aceptaría, ya que de inicio no presentan la composición química adecuada, y el carbono grafito presente en la microestructura es del tipo E mayoritariamente, lo cual me produciría una heterogeneidad en las propiedades mecánicas del material. Aunque algunas veces este tipo de fundiciones salen a mercado como productos de segunda mano. Es importante procurar no consumir este tipo de piezas, ya que podrían ocasionar problemas debido a su mal comportamiento frente a diversos esfuerzos.