mejora de la resistencia al desgaste por abrasión moderado del hierro fundido gris aleado al cobre...

Rev. del Instituto de Investigacin (RIIGEO), FIGMMG-UNMSM Julio - Diciembre 2012Vol. 15, N. 30, pp. 73-

Mejora de la resistencia al desgaste por abrasin moderado del hierro fundido gris aleado al cobre 3,5% austemperado a 300 C

resistance increase to abrasiVe wearinG by moderate abrasionof Grey cast iron alloyed with 3.5% austemPered coPPer to 300 c

Samuel Rosario F.*, Hctor Villacorta A.*, Vctor Falconi.*, Walter Rengifo S.*

RESUMEN

El hierro fundido gris aleado con cobre as como la muestra inicial no aleada fueron tratadas por austempering a 300 C durante diferentes tiempos despus de haber sido austenizadas a 800 C durante 20 minutos. Los cambios en la microestructura fueron evaluados mediante la medicin de dureza y metalografa cualitativa y cuantitativa. De los resultados se desprende que la muestra aleada con cobre presenta una estructura diferente en bruto de colada y despus del austempering la dureza muestra un pequeo incremento. En cuanto a la resistencia a la abrasin presenta una mejor resistencia que la no aleada aunque con menor resistencia al impacto, siendo esta superior a la establecida por la norma ASTM A 897M.

Palabras clave: hierro fundido gris, austemperado, resistencia a la abrasin, resistencia al impacto

ABSTRACT

Grey cast iron alloyed with cooper as well as the non-alloyed initial sample were treated by austempering at 300 C at various times after being austenized at 800 C in a period of 20 minutes. Microstructure changes were evaluated through hardness measurement, qualitative and quantitative metallography. Results show that alloyed sample with copper presents a different raw batch structure. After austempering sample hardness increases slightly. Similarly, resistance to abrasion also shows some improvement as compared to a non-alloyed sample but the resistance to shock decreases some. All these resistances however are higher than the level given by the ASTM A897 M norm.

Keywords: grey cast iron, austempered, abrasion resistance, shale resistance

* Docentes de la EAP de Ingeniera Metalrgica - UNMSM. E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

rECibido: 05/03/2013 aprobado: 15/05/13

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Rev. del Instituto de Investigacin (RIIGEO), FIGMMG-UNMSM

Mejora de la resistencia al desgaste por abrasin moderado del hierro fundido grisaleado al cobre 3,5% austemperado a 300 C

I. INTRODUCCIN

La fabricacin de piezas en hierro fundido ocupa un campo muy extenso de la industria de maquinaria. Estos materiales son aleaciones de hierro-carbono, con altos por-centajes de carbono y que se denominan bajo el nombre de fundiciones por ser este el procedimiento industrial de fabricacin de las mismas. El mayor porcentaje de carbono hace que la temperatura de fusin de estas sea menor que la de los aceros y adems se logra una mayor fluidez del material lquido, lo que permite el llenado de piezas de espesores menores y de formas complicadas, tienen una mejor colabilidad. Por otra parte, la menor temperatura de fusin permite que la interaccin metal-molde sea menos agresiva y en consecuencia se pueden obtener piezas de mejor calidad superficial.

Su bajo costo, y esta excelente colabilidad, han dado lugar a un extenso desarrollo de estas aleaciones en aplicaciones como: bloques de motor, camisas de pistn, engranajes, cuerpos de vlvula, autopartes y otras muchas piezas para maquinaria de uso industrial.

La eleccin de un material se basa en las propiedades que puedan conseguirse en cada caso. En las fundiciones de alta resistencia buscamos los mejores valores en sus propiedades mecnicas, y estas derivan de la estructura constitutiva de las mismas. La ingeniera metalrgica en el rea de materiales estudia los caminos para conseguir la estructura ms adecuada para lograr esas propiedades, utilizando tcnicas, aleaciones y de procedimientos de fabricacin adecuados. Hacemos hincapi en este ltimo aspecto porque las propiedades mecnicas no son el produc-to de formulaciones de composicin qumica ms o menos sofisticada. La tcnica de fabricacin es tan importante y ms que la adicin de los elementos de aleacin, o mejor dicho, la combinacin de ambos aspectos es el camino para lograr los mejores resultados.

El hierro fundido gris es una aleacin hierro carbono (Cyberbuzz gatech) compuesto estructuralmente de un constituyente matriz y de un material disperso. La matriz puede considerarse de tipo ferrtico, perltico o ferrito-perltico. El material disperso es la parte del carbono que no est disuelto en la matriz y que toma la forma de gra-fito (flecos-lamellas) (Figura N. 1). Este grafito aparece como pequeas partculas o lminas insertas en la matriz metlica. Si la estructura matriz es de tipo ferrtico, ser mayor la cantidad de grafito, puesto que la ferrita apenas disuelve carbono. Si por el contrario es de tipo perltico entonces ser menor la cantidad de carbono libre puesto que habr una parte del carbono que se une a otra de hierro formando la cementita que constituye el conjunto perltico (Figura N. 2). La cantidad, la forma y el tamao del grafito, y por otra parte el tipo de estructura matriz que resulte sern los elementos determinantes de las pro-piedades que tenga esa fundicin.

El grafito presente en la estructura hace que las fundicio-nes grises tengan alta maquinabilidad y buena resistencia al desgaste. El grafito las hace autolubricantes y a la vez amortigua las vibraciones. Adems se obtiene una buena conductividad trmica y buena resistencia a temperaturas altas. Por el contrario, tendremos una baja tenacidad pues-to que esas lminas de grafito son incipientes microfisuras.

Figura N. 1. Hierro fundido gris, flecos o lamellas de grafito.

Figura N. 2. Hierro fundido gris, matriz perltica.

Estos materiales son fabricados como productos fundidos y en ese proceso es donde se dan las condiciones que dan lugar a la estructura final. Por tanto, el mejor conocimiento de los mecanismos de nucleacin y solidificacin, as como los de transformacin en estado slido nos darn las bases para estudiar los caminos que nos llevaran a obtener la estructura ms adecuada al uso que se busque. Aqu tam-bin se cumple el principio que rige en el caso de los aceros al carbono aleados: los elementos de aleacin son factores que permiten obtener las mejores propiedades del acero en cuanto a conseguir las condiciones en que el carbono se manifiesta como el verdadero elemento de aleacin. Es decir, los aleantes son elementos acondicionadores de la accin del carbono en el acero.

El diagrama hierro-carbono (Figura N. 3) indica que, en la zona de altos porcentajes de carbono, se puede presen-tar dos formas: una de tipo estable hierro-carbono y otra de tipo metaestable: hierro-cementita (Pero-Zans, 1994). En el diagrama estable la reaccin eutctica tiene lugar a 1153 C y para una composicin de 4.2%, producindose austenita de 2,1% de C y grafito, mientras que la reaccin metaestable se da a 1147 C para una composicin lquida de 4.3% y producindose austenita de 2,14% y cementita o carburo de hierro.

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Samuel Rosario F., Hctor Villacorta A., Vctor Falconi, Walter Rengifo S.

En condiciones normales, estos materiales dan lugar a las llamadas fundiciones blancas donde el carbono est todo combinado bajo la forma de cementita y por tanto son materiales muy duros y frgiles, no aptos para piezas de maquinaria sin el tratamiento trmico adecuado. Ser necesario establecer unas condiciones adecuadas para que en lugar de generar cementita, en esa zona de solidificacin primaria, aparezca el grafito en forma libre. Los dos par-metros principales que hacen posible esa reaccin son la presencia de silicio y una lenta velocidad de enfriamiento. Tanto uno como el otro factor permiten la formacin del grafito y evitan por tanto que aparezca la cementita.

Tenemos por tanto dos etapas bien definidas: la estructu-ra primaria de solidificacin, donde se define la forma y cantidad del grafito y la producida por la transformacin de la austenita en estado slido que da lugar a la matriz de la fundicin.

Las propiedades mecnicas finales del material sern la conjuncin de ambos aspectos: la matriz y el grafito. Estos materiales son muy sensibles a la velocidad de solidificacin requieren de un diseo adecuado por parte del fundidor para minimizar o evitar los efectos de sensibilidad al es-pesor. La formulacin de la composicin viene dada por la estructura final deseada y por los espesores que tenga la pieza en las distintas zonas.

Hay una cierta correlacin entre el porcentaje de carbono y las propiedades de resistencia, se indica esa relacin para fundiciones perlticas, esto se consigue porque estas fundiciones de menor porcentaje de carbono son las que tienen menor cantidad de lminas de grafito (ASTM Handbook, 1992).

Por otra parte, en cuanto a la formacin de una matriz ms o menos perltica ser funcin de la combinacin de la cantidad de carbono y de silicio, y por supuesto del espesor de la pieza.

En estas aleaciones suele establecerse un parmetro lla-mado carbono equivalente, que se define como la suma del carbono real presente ms la influencia que tienen

Figura N. 3. Diagrama hierro-carbono (estable). Hierro-carburo de hierro (metaestable). Adaptado del Binary Alloy Phase Diagrams, 2. ed., Vol. 1. T. B. Massalski (Editor in Chief) 1990. ASM International,

Materials Park. OH.

los elementos silicio y fsforo, llamados grafitizadores, en cuanto favorecen la formacin de grafito.

CE = %C + 0.3 (%Si) + 0.33 (%P) - 0.027 (%Mn) + 0.4 (%S)

Cuando el carbono equivalente es igual a 4,3% el modo de solidificacin es esencialmente 100% eutctico (ASTM Handbook, 1992). Se da una cierta relacin entre el va-lor del CE y la resistencia que se puede estimar en una aleacin de hierro concreta (Figura N. 4), como se ve en el grfico adjunto. Tambin se ve la influencia de la velocidad de enfriamiento en relacin a de los diferentes espesores de la pieza.

Figura N. 4. Relacin entre el carbono equivalente y la resistencia a la traccin en el hierro fundido gris.

El contenido de manganeso vara en funcin de la matriz deseada, tpicamente, puede ser tan bajo como 0,1% para hierros fundidos ferrticos y tan alto como 1.2% para hie-rros fundidos perlticos, ya que el manganeso es un fuerte promotor de la perlita.

La cantidad de silicio presente ser por tanto determinante del tipo de estructura que queremos obtener. La definicin de la cantidad ser un balance del carbono equivalente resultante y del espesor de las piezas. El efecto grafitizador del silicio se puede explicar observando cmo modifica las temperaturas eutcticas en los diagramas estable y metaestable (Figura N. 5). La separacin de ambas temperaturas da lugar a que la curva de solidificacin tpica de las aleaciones hipoeutcticas permita completar la solidificacin sin que se haya atravesado la lnea eutc-tica metaestable y as obtener una estructura ausente de cementita. Es evidente que la velocidad de enfriamiento juega un papel fundamental en este proceso, y eso puede llevar al fundidor a variar el contenido de silicio en el caso de tener espesores delgados o bien a utilizar otras tcnicas localizadas para minimizar las velocidades en esos puntos.

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Figura N. 5. Influencia del contenido de silicio en la variacin de la temperatura del eutctico.

La influencia de los elementos de aleacin comunes en las transformaciones en el estado slido es individual y nica. Algunos elementos son ms efectivos en evitar la presencia de ferrita libre, mientras que otros son ms efectivos en el afinamiento de la perlita. El cromo, cobre, mangane-so, vanadio y nquel son efectivos en ambos casos: como inhibidores de la formacin de ferrita libre, as como en obtener una perlita ms fina. El molibdeno y el vanadio son los ms poderosos en este segundo objetivo, y no tie-nen prcticamente influencia sobre inhibir la formacin de ferrita libre. Por tanto una combinacin de varios elementos de aleacin puede tener un efecto sinrgico para conseguir una alta resistencia con la menor cantidad de aleantes.

En esta transformacin de la austenita hay algunos ele-mentos que facilitan la formacin de perlita como son: el cobre, el nquel y el manganeso. El cobre es interesante porque adems de gammageno, retrasa la ferritizacin antes mencionada por un efecto barrera en la difusin del carbono. Hay otros elementos que actan de la misma for-ma como son el bismuto, el plomo y el estao, este ltimo resulta ms efectivo que el cobre pero le da fragilidad a la fundicin; en cuanto a promotor de la perlita se debe usar en pequesimas cantidades, algunos recomiendan del 0,04 al 0,1%.

Se puede concluir que el objeto de los elementos de aleacin en las fundiciones es conseguir las mejores condiciones estructurales para su comportamiento. Pero estas formu-laciones o recomendaciones de aleacin deben acompaar y complementar las caractersticas de la pieza a fundir, ya que el componente de la sensibilidad al espesor debe

ser ponderada por el fabricante segn las condiciones de fabricacin: tipo de molde, diferencia de espesores, din-mica de la solidificacin, posicin de los alimentadores y entradas de la colada, etc.

Tambin hay dos aspectos a considerar en la conformacin de la estructura final: la matriz, sea esta ferrtica, perltica o mixta, y la forma, tamao y distribucin del grafito. Asimismo, considerar la ausencia de puntos acoquillados y de carburos, producidos por zonas de pequeo espesor o de mayor velocidad de enfriamiento, estos carburos sern cementita o bien segn los elementos aadidos pueden ser de cromo o de manganeso. Todo ello lleva a que sea corriente hacer una formulacin que contemple la adicin de dos aleantes para considerar el efecto sobre los dos aspectos considerados.

Tambin se pueden producir fundiciones de alta resistencia con una muy baja cantidad de aleantes cuando estos han sido elegidos en forma adecuada. Quizs el camino ms econmico de conseguir un hierro fundido gris resistente sea reducir el contenido de silicio manteniendo un CE adecuado. Asimismo esta reduccin debe ir balanceada por la influencia que puedan tener los otros posibles elementos de aleacin elegidos.

Del total de piezas metlicas producidas en los principales pases productores a nivel mundial, la fabricacin de piezas de hierro fundido representa el 70% segn datos reportados por la Turkish Foundry Industry, 2000.

Al analizar el modo de satisfaccin de la demanda de pie-zas de hierro fundido, en talleres de fundicin pequeos y medianos; se observa que en su plan de produccin para una etapa dada, se encuentran diversas piezas en canti-dades discretas. Adems en la produccin de las mismas se emplea un metal de composicin nica. Este metal es generalmente no aleado o de muy baja aleacin, con una estructura tpica de un hierro gris; por lo que no resulta una opcin adecuada para la produccin de piezas resistentes al desgaste. En este trabajo se recomienda el empleo de la aleacin en cuchara con cobre para obtener el nmero de piezas requeridas, con la composicin qumica que las hace ms aptas para un uso especfico, especialmente en cuanto a los requisitos que tienen que ver con la resistencia al desgaste.

II. EL DESGASTE

La vida til de la mayora de los productos manufacturados tales como partes mviles de mquinas y herramientas depen-de de la condicin de sus superficies y del deterioro de ellas debido al uso. Este dao que se provoca en una superficie slida se denomina desgaste y suele ser el factor principal que limita la vida y el desempeo de los componentes de una mquina.

Un hallazgo temprano en la historia de la tcnica fue el del proceso de abrasin. Mediante el simple frotamiento de dos piedras con la interposicin de un abrasivo arena en suspensin acuosa, se obtuvieron las hachas pulidas tpicas del Neoltico. Hoy, con esmeril (Al2O3), carburo de silicio (SiC), diamante y otros abrasivos, pueden ero-sionarse, en minutos, varios milmetros de material, por duro que sea.

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Figura N. 7. Modelo esquemtico de dos modos de aplicaciones de fuerzas por partculas abrasivas.

Figura N. 8. Desgaste abrasivo en un riel producido por las ruedas. (Fotos reimpresas con autorizacin del KTH Royal Institute of

Technology, Sweden).

En general, el desgaste abrasivo puede algunas veces ser reducido o tratado por uno de varios mtodos: aumentar la dureza superficie, remover partculas extraas o reemplazar la parte desgastada.

En este trabajo se muestran algunas tendencias actuales de empleo de hierros fundidos en la obtencin de piezas resistentes al desgaste, as como se presentan en particular algunas experiencias autores en el empleo de hierros fundidos de bajo nivel de aleacin, para producir piezas de repuesto, cuya vida til se incremente producto a ser ms resistentes.

El abrasivo consta, por lo comn, de pequeos granos, poliedros minsculos e irregulares con aristas que se clavan en el material tratado. En esos puntos se originan grietas y microfracturas (Figura N. 6), que terminan si el sustrato es vtreo y duro, en formaciones concoideas; si el abrasivo opera sobre un metal, en cambio, se arrancan las finas virutas caractersticas de los slidos plsticos y fluentes.

Los tipos de desgaste ms importantes son:

Desgaste abrasivo.

Desgaste adhesivo.

Desgaste por erosin.

Desgaste por friccin (Fretting).

2.1 Desgaste abrasivo

El desgaste abrasivo (el tipo de nuestro inters) ocurre cuando partculas duras suspendidas en un fluido o in-crustadas en otra superficie ruedan o deslizan bajo presin contra otra superficie. Las partculas duras pueden estar atrapadas entre dos superficies deslizantes y producen abrasin sobre ambas o sobre una de ellas como se mues-tra en la Figura N. 7. Otra caracterstica importante del desgaste abrasivo es el calor que es generado por la friccin entre los dos materiales.

La Figura N. 7(a) representa la accin cortante o de arado de una partcula que est bajo presin. Es decir, la partcula no est libre pero est bajo presin de otras partculas o de un objeto slido. Lo que es caracterstico de abrasin por esmerilado cepillado o rectificado, en los cuales partculas duras son forzadas a rasgar o cortar la superficie del metal.

La Figura N. 7(b) representa la accin cortante o de arado de partculas libres a travs de la superficie de un metal despus de impactar sobre la superficie. Esto es caracterstico del desgaste erosivo, en la cual partculas libres chocan con la superficie en un ngulo, entonces se deslizan a travs de la superficie. Un ejemplo tpico de desgaste por abrasin es el que ocurre entre la superficie de las ruedas y el riel de un tren debido a las partculas de polvo, lubricante o residuos de desgaste, la Figura N. 8 muestra el aspecto de una superficie fracturada por abra-sin de un riel de ferrocarril.

Figura N. 6. Accin abrasiva de las partculas duras sobre el material base. Segn J. Strong.

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III. EFECTOS METALRGICOS DEL COBRE EN LA FERRITA

La presencia de elementos disueltos en las fases lquida y slida del hierro cambian la temperatura de equilibrio del diagrama Fe-C; esto resulta en un incremento o decremento de las fases hierro y hierro .

3.1. El cobre

Favorece ligeramente la grafitizacin y endurece y aumenta la resistencia de la matriz.

Mejora la resistencia al desgaste y al choque de las fundiciones, proporcionndoles cualidades de antifric-cin muy interesantes.

Tambin mejora la resistencia a la corrosin atmosf-rica y a la accin de agentes corrosivos relativamente dbiles.

Por su efecto similar y bajo precio es muy empleado para sustituir al nquel, aunque por su solubilidad limitada en el hierro es imposible alcanzar la misma estructura martenstica.

Se suele utilizar para fabricar fundiciones perlticas de alta resistencia a la traccin.

Se agrega para aumentar la capacidad de templado.

Crea una barrera para la difusin del carbono, por lo que retarda el tiempo de austenizacin.

No se ha reportado que altere el inicio de la transfor-macin en el austemperizado, pero se cree que retarda la aparicin de carburos y por ende retarda la segunda etapa, por lo que ampla el intervalo de tiempo donde se tiene la mxima ductilidad y resistencia al impacto.

La accin grafitizante baja hasta 0,05 cuando los con-tenidos en carbono son mayores de 3%.

La solubilidad de cobre en el hierro gamma de acuerdo con el diagrama de fases hierro-cobre de la Figura N. 9 es aproximadamente 8,0% a 1094 C y disminuye al 3,0% a la temperatura eutectoide de 835 C, aproximadamente.

Figura N. 9. Diagrama de fases hierro-cobre (Svensson, 2003).

En la fundicin gris grafito laminar, enfriada en un molde de arena, la solubilidad aparente lmite del cobre es 3,5%; esto significa que hasta un 3,5% de cobre no se produce la precipitacin de glbulos primarios de cobre durante la solidificacin y no se forman glbulos secundarios de cobre en las condiciones de enfriamiento normales a la temperatura ambiente.

IV. DISEO EXPERIMENTAL

Para verificar la accin del cobre en el hierro fundido gris con grafito laminar se estableci el siguiente mtodo experimental:

1. Establecer la composicin de hierro fundido gris car-bono, cobre 3,5%, con silicio fijo en ~ 3,0%.

2. Fundir Probeta bloque en Y, ASTM E 8, moldeo en arena y fusin en horno a gas con crisol de grafito.

3. Anlisis qumico de las muestras fundidas.

4. Tratar trmicamente: Autempering.

5. Ensayos mecnicos de las muestras fundidas.

6. Anlisis metalogrfico, en bruto de colada y tratados trmicamente, preparacin de muestras de acuerdo a las normas ASTM E 3-01 ; ASTM E 407-99 y observacin

7. Ensayos de dureza Brinell.

8. Evaluacin de resultados.

El proceso de moldeo y fusin se muestra detalladamente en la Figura N. 10b.

V. MTODOS Y RESULTADOS

5.1. Proceso de preparacin para la obtencin de la aleacin

Metal base

Para la obtencin de las probetas representativas de cada aleacin, se eligi la aleacin en cuchara, partiendo del metal base obtenido en un horno de crisol con una com-posicin qumica caracterstica de un hierro fundido gris (Tabla N. 1).

La caracterizacin qumica del metal base utilizado, para la obtencin de las aleaciones se realiz por espectroscopa de emisin atmica, mediante el empleo de un Spectrocast.

Tabla N. 1. Composicin del metal base sin cobre*

C% Si% Mn% P% S% Cr% Cu%

3,44 2,78 1,21 0,358 0,0478 0,357 0,423

(*) Anlisis qumico en Espectrofotmetro de emisin a la chispa de lectura directa. Cortesas de la Fundicin FUMASA. Dureza: 131 HB

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5.2. Efectos del cobre sobre las propiedades mecnicas

Segn el esfuerzo a la traccin en PSI, el hierro fundido gris aleado con Cu 3,5% clasifica con la Norma ASTM A 48 Grado 41. Laboratorio de Ensayos Mecnicos de la Escuela de Ingeniera Metalrgica de la UNMSM (Tabla N. 2).

Figura N. 10. a) Preparacin del molde de arena. b) Fusin en horno de crisol, verificando la temperatura del metal. c) Preparando el vertido en moldes de arena y metlicos. d) Probeta de hierro fundido gris con cobre. Laboratorio-Taller de la Escuela de Ingeniera Metalrgica, UNMSM.

VI. ANLISIS Y DISCUSIN

6.1. Fusin y obtencin del hierro fundido gris

Para la fusin y obtencin del hierro fundido gris con la composicin razn de estudio, se utiliz un horno a gas con crisol de grafito, como el que se muestra en la (Figura N. 10b); posteriormente a la fusin del ma-terial se realiz los siguientes procesos metalrgicos: inoculacin y vaciado en moldes, los cuales se detallan a continuacin:

Las propiedades mecnicas de la fundicin gris con grafito laminar se ven mejoradas con el agregado de cobre por las razones que explicamos anteriormente, especialmente la resistencia y la dureza sin perjudicar la maquinabilidad.

Tabla N. 2. Caractersticas mecnicas del Hierro Fundido Gris con 3,5% Cu

reamm2

Carga mxima Esfuerzo mximoFluencia0,2% kN

DurezaHB kN N MPaN/mm2 kg/mm

2 PSIlb/pulgada2

113,097 32,1718 32 171,8 284,36 28,997 41 247,71 20,1093 278

6.1.1. Inoculacin y vaciado

El proceso de inoculacin tiene por objeto sembrar las semillas para que se aglomeren a su alrededor el carbn en exceso. El proceso de inoculacin se llev a cabo en el cri-sol, empleando como inoculante ferrosilicio (Tabla N. 3).

Terminada la fusin, se verti el metal fundido en moldes de arena slice, los cuales tienen forma de bloque en Y, lo que permite que las porosidades, rechupes e heterogeneidades queden en la superficie del molde, permitiendo a la parte inferior permanecer lo ms libre posible de defectos. En la Figuras N. 12 y 13 se muestra un esquema de los bloques Y.

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Tabla N. 3. Composicin qumica de los inoculantes (% en peso)

Inoculante Si Ca Al Ba Fe Mn Zr Ti Cu

FeSi 78,7 1,56 0,85 1,31 16,2 0,47 0,55 0,05 0,03

Suministrado por Italmagnsio S.A, (Minas Gerais, Brasil) a travs de Insumos Metalrgicos Ltda.(Medelln, Antioquia, Colombia).

Figura N. 11. Rotura de probeta, caracterstica del hierro fundido gris. Fractura frgil.

Figura N. 12. Esquema del bloque de Fundicin Y de donde se maquinaron las probetas de ensayo de traccin. ASTM E8.

Figura N. 13. a) Esquema del bloque en Y ; y b) Obtencin de las muestras para dureza y metalografa.

(a)

(b)

6.2 Composicin qumica utilizada

La composicin qumica utilizada del hierro fundido gris con cobre 3,5%, estudiada (% en peso) (Tabla N. 4)

Tabla N. 4. Composicin del hierro fundido con cobre*

Colada C% Si% Mn% P% S% Cu%

1 2,902 2,934 0,899 0,292 0,18 2,161

2 3,67 3,27 1,43 0,049 0,18 3,57

(*) Anlisis qumico en Espectrofotmetro de emisin a la chispa de lectura directa. Cortesas de la Fundicin FUMASA. La muestra (2) se con-sigui con inoculacin y ajuste del cobre con la que se hace los tratamientos trmicos de austemperizado.

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6.3. Tratamientos trmicos

El hierro fundido gris austemperizado se obtiene por me-dio de dos tratamientos trmicos continuos, los cuales se detallan a continuacin:

6.3.1. Austenizacin

El tratamiento trmico de austenizacin consiste en calen-tar la aleacin dentro de un rango de temperatura entre 815 a 920 C, con la finalidad de formar estructuras cristalinas de austenita homognea. La temperatura elegida para este tratamiento depende de la siguiente etapa del proceso, as como del tipo de estructura final buscada. Una vez que se ha seleccionado la temperatura de austenizacin, la temperatura es controlada con una diferencia de 10 C.

6.3.2. Austemperizado

Una vez la aleacin se ha transformado en austenita ho-mognea, se transfiere rpidamente al horno de austem-perizado, en donde se utilizan diferentes tipos de baos de sales o metales para mantener la temperatura en un rango de 230 a 400 C, en este paso se busca la transformacin de la austenita en bainita (ausferrita). De acuerdo con las propiedades requeridas de la aleacin, es como se selec-ciona la temperatura de austemperizado, aqu el control de temperatura y el tiempo del tratamiento trmico es de suma importancia (Figura N. 14).

Figura N. 14. Proceso de austemperizado

6.3.3. Etapas de la transformacin del austemperizado

En la Figura N. 15, se puede apreciar un ciclo tpico del tratamiento trmico de austemperizado, en donde la pieza de fundicin es austenizada (formacin de austenita) entre 850 y 950 C, templada posteriormente en un bao de sal, metal o aceite en un rango de temperatura de 300-500 C y mantenida a esta temperatura por el tiempo necesario para lograr la transformacin de la austenita en bainita.

Diagrama de transformacin isotrmica, mostrando la trayectoria trmica de un tratamiento trmico de austem-perizado tpico para el hierro fundido gris.

La transformacin isotrmica, en el intervalo de tempera-tura del austemperizado se realiza en dos etapas:

Etapa 1 (transformacin parcial de austenita):

()+()

Etapa 2 (descomposicin de la austenita metaestable):

() + carburos

Donde: : austenita homognea() : ferrita sobresaturada con carbono() : austenita metaestable con alto contenido de carbono : ferrita

+ carburos : vainita superior o inferior

VII. TRATAMIENTO TRMICO

Con respecto al proceso del tratamiento trmico de aus-temperizado que se emple, este se realiz en dos etapas, como se detalla a continuacin:

7.1. Austenizado

Todas las probetas (2 cm x 2 cm altura) fueron transformadas en austenita, a una temperatura de 820-850 C (Figura N. 15) durante 15-20 minutos en un horno de mufla. Para evitar la descarburacin en la superficie por efectos de difusin hacia el exterior, a las probetas se les aplic una capa de pintura base zirconia y luego se empaquetaron en una caja metlica rellena de rebaba fresca de hierro gris.

7.2. Austemperizado

Para la transformacin isotrmica de austemperizado, es decir la etapa en que ocurre la transformacin de austeni-ta a bainita (ausferrita), se realiz en un bao de plomo fundido, y con temperatura de 300 C durante 5, 10, 15 y 20 minutos. Una vez transcurrido el tiempo de transfor-macin, las muestras fueron sacadas del bao de plomo y enfriadas con agua. Las temperaturas del tratamiento trmico fueron seleccionadas con el fin de obtener una estructura cristalina del tipo baintico (ausferrtico).

Figura N. 15. Proceso del tratamiento trmico empleado en el experimento.

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7.3. Observacin metalogrfica

7.4. Preparacin metalogrfica

Con la finalidad de establecer la validez de la prueba y observar las microestructuras de los materiales, en la superficie previamente pulida de las probetas, se realiz

el anlisis metalogrfico de la microestructura. Despus del tratamiento trmico de austemperizado, se realizaron las metalografas en un microscopio metalogrfico Olym-pus Metphot, en campo claro, a 200 y 400 aumentos, la microestructura se revel mediante ataque qumico con una solucin de Nital al 2% y cido pcrico segn el caso (Figura N. 16).

La microestructura presente en estado bruto de colada de la Figura N. 17 (a) sin ataque muestra el grafito tipo A y glbulos de cobre, La Figura 17 (b) es la muestra con ataque seala la presencia de bainita inferior, acicular y

Muestras de hierro fundido base sin aleacin

Figura N. 16: Muestra de hierro fundido gris base, sin aleacin: (a) Sin ataque grafito laminar Tipo A. (b) Con ataque qumico, Nital 2% matriz perltica y presencia de esteadita.

7.4.1. Resultados metalogrficos

Muestra de hierro fundido gris con cobre 3,5% en bruto de colada

Figura N. 17. (a) Hierro fundido gris con 3,5% de cobre, sin ataque en bruto de colada. (b) La misma muestra ataque con Nital 2%, tiempo 20 segundos, bainita inferior, acicular y fina.

fina. Las Figuras N. 18 y 19 presentan las muestras tra-tadas trmicamente, austemperizado a 300 C a 5, 10, 15 y 20 minutos enfriados en agua, mostrando la estructura caracterstica bainita.

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7.4.2. Resultados de las pruebas mecnicas y fsicas

La Tabla N. 5 presenta los resultados de las pruebas me-cnicas y fsicas despus del tratamiento de austemperizado a 300 C en los tiempos indicados. La dureza Brinell de la

Figura N. 18. (a) Muestra con austemperizado a 300 C durante 5 minutos enfriado en agua, muestra bainita superior, dureza Brinell: 378 HB, presenta glbulos de cobre. (b) Austemperizado a 300 C durante 10 minutos, enfriada en agua muestra mezcla de bainita superior plumosa y gruesa, y bainita

inferior, presenta glbulos de cobre, dureza Brinell: 383 HB. Ambas muestras con ataque con cido pcrico durante 10 segundos. 100X

Figura N. 19. (a) Estructura tpica de muestras tratadas a 300 C durante 15 minutos mostrando vainita superior dureza Brinell: 383 HB. (b) Se muestra bainita superior ligeramente ms fina, dureza Brinell 404 HB. Ataque con cido pcrico durante 10 segundos.

aleacin ensayada relacionada con el material base sin cobre de dureza 131 HB, muestra el incremento al ser aleado con cobre 3,5% y tratada trmicamente por austemperizado.

Tabla N. 5. Resultados de las pruebas mecnicas y fsicas (*)

Muestra con T. trmico austemperizado a 300 C

reamm2

Carga mxima Esfuerzo mximoDureza

Brinell HBkN N MPaN/mm2 kg/mm2 PSI

lb/pulgada2

5,0 minutos 12 271,875 43, 7536 43 753,6 386,76 39436 56 096,88 378

10,0 minutos 44, 3224 44 322,4 391, 7574 39, 949 56 826,14 383

15,0 minutos 44, 3224 44 322,4 391, 7574 39, 949 56 826,14 383

20,0 minutos 46, 7601 46 710,1 413, 3941 42, 146 59 951,58 404

(*) Laboratorio de Ensayos Mecnicos de la Escuela de Ingeniera Metalrgica de la UNMSM. Los valores de dureza en botones de 30 mm de dimetro. Laboratorio de Ensayos Fsicos de la Escuela de Ingeniera Metalrgica de la UNMSM.

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VIII. CONCLUSIONES

1. El incremento de cobre 3,5% formando solucin slida, incrementa la dureza del material original sin cobre. Endurecimiento por precipitacin.

2. La microestructura bainita, estabilizada por el tra-tamiento de austemperizado aumenta la dureza del material en la medida que se incrementa el tiempo del tratamiento.

3. El incremento de la dureza es un indicador que se incrementa la resistencia al desgaste por abrasin.

4. La probabilidad que el desprendimiento del grafito acelere el proceso abrasivo al dejar expuesto los bordes de la cavidad que ocupaba, generando prdida de la matriz metlica.

5. Se observa la aparicin de glbulos de cobre precipi-tados en las condiciones de enfriamiento normal a la temperatura ambiente.

IX. AGRADECIMIENTOS

Un especial agradecimiento a los profesores del equipo docentes de la Escuela de Ingeniera Metalrgica de la

UNMSM: Ing Vctor Falconi Rosadio, Hctor Luis Vi-llacorta Arvalo, Ing Walter Alex Rengifo Sing, cuya experiencia profesional nos llev a resultados altamente satisfactorios, y a los estudiantes, al Sr. Oscar Francisco Cardoza Ramos, por el apoyo en el taller de fundicin en el moldeo y fundicin de probetas; a la Srta. Maribel Choquepuma Lupo, por la preparacin, pulido y ataque de las probetas para el ensayo metalogrfico; al Sr. Hyeraldo Osmar Acevedo Basualdo, por su apoyo en el taller de fundicin en el moldeo y fundicin de probetas.

X. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

1. Diagrama tomado de http://cyberbuzz.gatech.edu/asm_tms/phase_diagrams/#Fe

2. Pero-Sanz, J. (1994). Fundiciones frreas. Ed. Dossat, Madrid.

3. ASTM Metal HandBook (1992). Volumen 3 Alloy Phase Diagrams.

4. Svensson, I. L., Millberg, A., Diszegi, A.(2003). A study of eutectic inoculation in grey iron by addition of Fe-Si-Ca-Al-, Sr, Ba, Zr, Ti, RE and C. Journal of Cast Metals Research, Vol. 16, 29-34.