Efecto de la utilización de carburo de silicio como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises.

Agradecimientos Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

AGRADECIMIENTOS Este trabajo no habría podido realizarse sin el apoyo y la ayuda desinteresada de un sinnúmero de personas: A Ana María Pérez Ceballos, quien con su paciencia y dedicación, recibió este niño que aún no había nacido. Y por ayudarme a la difícil tarea de concretar. A mi Asesora muchas gracias! A Ricardo Emilio Aristizábal Sierra, que desde la lejanía, estuvo tan cerca como siempre. A mi co-asesor, muchas gracias. A ambos quien con sus críticas y profundas observaciones ayudaron al desarrollo del proyecto. A la Universidad de Antioquia por otorgarme la beca de estudiante instructor, y poder llevar a cabo este sueño de realizar el trabajo de investigación de la Maestría. Agradezco también la financiación del trabajo de investigación a través del proyecto CODI MC08-1-02. Al grupo fundidor “altamente calificado”, a Ana María Pérez Ceballos, a Claudia María Silva Velásquez, a Juan Marcelo Rojas Arango, a Harold David Machado González y a Oscar Eduardo Ríos Diez, que se echaron toda la parte operativa de la fusión al hombro, sin ellos este trabajo no habría podido realizarse. Al Consorcio Metalúrgico Cometa Giralópez Ltda; por permitir la realización de las coladas experimentales en sus instalaciones A Alberto Zapata “Don Alberto”, por guiarme y ayudarme, en el maravilloso e intricado mundo del análisis metalográfico de los hierros fundidos. A Oscar Eduardo Ríos Diez y a Ferley Alejandro Vásquez Arroyave, que se encarretaron con el cuento de la metalografía y pudimos poner a punto la preparación metalográfica de las muestras. A Juan Marcelo Rojas Arango, por enseñarme a “suavizar” las curvas je! A las muchachas y muchachos del Laboratorio de Fundición, Luisa Fernanda Berrío Betancurt, Jhon Fredy Hernández Nieto, Germán Darío Gómez, Jorge Andrés Gómez Ospina, Julián Esteban Obando Arbeláez, Diego Andrés Ramos Rodríguez, Fabio Alonso Vargas Bermúdez, Efraín Gómez Méndez y Lucas Esteban Mendoza Echeverri que participaron en el proyecto, mediante la preparación de las muestras.

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Agradecimientos Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

A Francisco Javier Sánchez Quiróz “Don Javier” y Andrés Felipe Santacruz Londoño, en la elaboración de los ensayos de la composición química. A los profesores Claudia Patricia Serna Giraldo y Asdrúbal Valencia Giraldo por sus valiosos consejos y apoyo. Al Profesor Diego Hernán Giraldo Vásquez, por permitirme dejar entrar a la “palomera”, fue allí donde me pude enclaustrar a terminar esta tesis. A la Profesora María Esperanza López Gómez, por su apoyo incondicional al comienzo de la Maestría. Al Profesor Alejandro Echavarría por facilitarnos el pirómetro infrarrojo. Al Grupo de Investigaciones Pirometalúrgicas y de Materiales GIPIMME, por apoyarme durante todos estos años. A las chicas y chicos de Apoyo Administrativo, por su “Apoyo administrativo”, en las compras e importaciones de los diferentes insumos. A mi Mamá Cecilia, mi Papá Rogelio, mi hermanito Roger, mi abuelita Isabel que en paz descanse, mi cuñada Yudi y mi sobrina Luciana, mi única familia! por su apoyo incondicional permanente. A Fercho que con su acompañamiento permanente y apoyo incondicional estuvo en los momentos más difíciles. “… A mis amigas Joa, Cata y la negra Nancy, les adeudo la ternura y las palabras de aliento y el abrazo el compartir con todas ellas la factura que me presentó este trabajo de investigación paso a paso…” A todos mis amiguitos de la maestría! A Harold en Medellín, a Janeth y Alejo en Bogotá y a Isa la mona en Estados Unidos, por sacarme a “recreo” al final de este proyecto. A los que se quedan en el tintero ante todo disculpas y mil gracias.

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Resumen Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

RESUMEN Los hierros grises son las aleaciones más utilizadas a nivel mundial, éstas corresponden al 47% de las 80 millones de toneladas producidas (Modern Casting Staff, 2010). Esto se debe a varias razones: su alta colabilidad, sus bajos costos (20-40% menor que el acero) y a sus diversas aplicaciones como material estructural debido a su amplio rango de propiedades. Las propiedades mecánicas de los hierros grises pueden modificarse en función de características microestructurales tales como la morfología y el tamaño del grafito, así como el tipo de matriz, las cuales a su vez dependen fundamentalmente de la composición química del metal base, de las condiciones de fusión, de la velocidad de enfriamiento durante la solidificación y del tratamiento del metal fundido. En la producción de las fundiciones grises, es necesario realizar un tratamiento posterior a la fusión del metal, el cual se conoce como inoculación, consiste en adicionar un agente inoculante al metal fundido, que permite crear muchos sitios de nucleación dentro de éste, haciendo que la solidificación ocurra con sobreenfriamientos menores, disminuyendo la formación de carburos (chill) y favoreciendo la precipitación del grafito libre con una distribución Tipo A. Todas estas características en conjunto incrementan considerablemente las propiedades mecánicas y la maquinabilidad de las piezas fundidas. Los agentes inoculantes más comúnmente utilizados son los base ferrosilicio (FeSi), los cuales presentan algunas variaciones en su composición química, especialmente en los elementos que actúan como formadores de los sitios de nucleación, tales como el Ba, Ca, Al, Sr, Mn, S, Zr, Ti, Bi y elementos de tierras raras tales como el La y Ce. Recientemente se han realizado investigaciones sobre la utilización del carburo de silicio metalúrgico (SiC), como agente inoculante tanto en las fundiciones grises, como en las nodulares. Dentro de los estudios de comparación del SiC frente a los inoculantes a base de FeSi se han encontrado ventajas tales como: el incremento de la temperatura de liquidus y de la temperatura eutéctica, la reducción del sobreenfriamiento y el aumento de la cantidad de celdas eutécticas, el incremento del contenido del grafito tipo A, un menor decaimiento de la efectividad del

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Resumen Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

inoculante (fading), el mejoramiento de la maquinabilidad en las piezas fundidas y la disminución de la tendencia al chill. Es importante anotar que, a nivel mundial, hasta el momento no se ha realizado una investigación sistemática con el SiC usado como agente inoculante adicionado en cuchara en metal obtenido a partir de horno de cubilote. En este estudio se evaluó el efecto inoculador del carburo de silicio en hierros grises, obtenidos en horno de cubilote e inoculados en cuchara, comparándolo con dos ferrosilicios comerciales y con metal sin inocular, bajo tres condiciones de inoculación: SiC-1 (tamaño de partícula 1 y porcentaje de inoculación 2), SiC-2 (tamaño de partícula 2 y porcentaje de inoculación 1) y SiC-3 (tamaño de partícula 2 y porcentaje de inoculación 2). La evaluación se realizó para piezas con espesores de pared bajos mediante la realización de análisis térmico, la determinación del nivel de sanidad, la evaluación microestructural y la medición de propiedades mecánicas tales como la resistencia última de tracción y la dureza de todas las condiciones de inoculación evaluadas. Adicionalmente, se determinó la influencia de la velocidad de enfriamiento del metal inoculado con las diferentes condiciones del SiC y se comparó con el metal sin inocular. Los resultados experimentales permitieron establecer que, utilizando carburo de silicio como agente inoculante en hierros grises obtenidos en horno de cubilote, se pueden obtener por lo menos, las mismas propiedades mecánicas y microestructurales que con los ferrosilicios comerciales. Además, fue posible determinar que la condición de inoculación con mayor efectividad fue SiC-2. A partir del metal inoculado con esta condición, se puede obtener una menor variación de las propiedades mecánicas de las piezas fundidas de una colada a otra y de una pieza a otra. Adicionalmente, esta condición de inoculación permite obtener menores espesores de pared con menor presencia de chill.

Palabras claves Fundición gris, Carburo de silicio, Ferrosilicio, Inoculación en cuchara, Horno de cubilote, Curvas de enfriamiento.

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Abstract Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

ABSTRACT Inside the World Casting Production of molten metal, gray irons are the most widely used alloys; these correspond to 47% of the 80 million tons produced in the world (Modern Casting Staff, 2010). This is due to several reasons: its high castability, low cost (20-40% less than steel) and its various applications as a structural material due to its wide range of properties. The mechanical properties of this material may be modified according to microstructural features such as morphology and size of graphite, and the type of matrix, which depend mainly on the chemical composition of base metal, melting conditions, the cooling rate during solidification and treatment of the liquid metal before casting.

The production of gray cast iron involves a treatment of the liquid metal before casting, which is known as inoculation, it is to add an inoculating agent to the molten metal, which creates many nucleation sites within it, making solidification occurs with a smaller undercooling, decreasing the formation of carbides (chill) and favoring the precipitation of free graphite with a distribution type A. All these features increase the mechanical properties and machinability of castings. Inoculants agents most commonly used are ferrosilicon based (FeSi), which show some variations in their chemical composition, especially in the elements that act as nucleation sites, such as Ba, Ca, Al, Sr, Mn , S, Zr, Ti, Bi and rare earth elements such as La and Ce. Recently, there have been conducted researches of the use of metallurgical silicon carbide (SiC) as an inoculating agent in gray cast iron and ductile cast iron. It is have been found many advantages using SiC as an inoculant agent when is compared with FeSi inoculants: an increasing of the liquidus and eutectic temperature, the undercooling reduction and a raising of the counted eutectic cells, the increase of type A graphite content. The grey iron inoculated whit SiC shows better machinability; additionally, exhibits lower fading effect and decreasing the tendency to chill. It is important to note that, worldwide, to date there has been no systematic research with SiC used as inoculating agent added in metal ladle obtained from the cupola furnace. In this study was evaluated the inoculant effect of SiC in gray cast

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Abstract Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

iron melted in cupola furnace and inoculated on ladle in comparison with gray cast iron inoculated with FeSi and gray cast iron without inoculation. Three different conditions were evaluated: SiC-1 (particle size 1 and percentage of inoculation 2), SiC-2 (particle size 2 and percentage of inoculation 1) and SiC-3 (particle size 2 and percentage of inoculation 2). The evaluation has been conducted for castings with low wall thickness by carrying out thermal analysis, determining the level of soundness, microstructural evaluation and measurement of mechanical properties such as Ultimate Tensile Strength and Brinell Hardness of all the conditions of inoculation evaluated. Additionally, it was evaluated the influence of cooling rate of gray cast iron inoculated with the different conditions of SiC and compared with uninoculated gray cast iron. The experimental results showed that using silicon carbide as inoculant agent in gray iron obtained in cupola furnace, could obtain at least the same mechanical and microstructural properties with gray iron inoculated with commercial ferrosilicon. In addition, it was possible to establish that the more effective inoculation condition was SiC-2. The gray cast iron inoculated in this condition shows a smaller variation of the mechanical properties. Additionally, this condition allows obtain lower wall thickness castings and reduced the presence of chill.

Keywords Gray Cast Iron, Silicon Carbide, Ferrosilicon, Ladle Inoculation, Cupola Furnace, Cooling curve.

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Abreviaturas Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Abreviaturas Las siguientes son las abreviaturas utilizadas a lo largo de todo el trabajo: AI: Metal fundido antes de inocular ASTM: American Society for Testing and Materials CE: Carbono equivalente Col: Colada C.Enf: Curvas de enfriamiento Desv.Est.: Desviación estándar DI: Metal fundido después de inocular %Inoc: Porcentaje de inoculación FeSi1: FeSi IM75B FeSi2: FeSi CaBearing HB: Dureza Brinell; (por sus siglas en inglés, Hardness Brinell). Máx.: Máximo Mn Req: Manganeso requerido para balancear el azufre, para evitar que éste forme FeS. Mn/S: Relación Mn-S, que permite relacionar de manera cualitativa, la cantidad de sulfuros de manganeso MnS presentes. NA: No aplica Nom.: Nominal Predom.: Predominante TP: Tamaño de partícula SE: Sobreenfriamiento SI: Metal fundido sin inocular SiC: Carburo de silicio TEU: Temperatura de sobreenfriamiento eutéctico, °C; (por sus siglas en inglés, Temperature of eutectic undercooling). TER: Temperatura de recalescencia del grafito, °C; (por sus siglas en inglés, Temperature of eutectic recalescence). TES: temperatura donde finaliza la solidificación, ºC; (por sus siglas en inglés, Temperature of the end of solidification). TH: Temperatura en la piquera del horno. TV: Temperatura de vaciado. VE: Velocidad de enfriamiento UTS: Resistencia última a la tracción (por sus siglas en inglés, Ultimate Tensile Strength) 7

Índice Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN

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2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 2.1. HIERROS FUNDIDOS 2.1.1. Clasificación 2.2. FUNDICIONES GRISES 2.2.1. Composición química 2.2.1.1. Elementos principales 2.2.1.2. Elementos menores 2.2.1.3. Elementos traza 2.2.2. Solidificación 2.2.2.1. Estado líquido 2.2.2.2. Nucleación de las fases primarias 2.2.2.3. Nucleación y crecimiento del eutéctico 2.2.2.4. Transformaciones en estado sólido 2.2.3. Curvas de enfriamiento 2.2.4. Distribución y tamaño del grafito laminar 2.2.5. Inoculación 2.2.5.1. Propósitos de un agente inoculante 2.2.5.2. Tipos de inoculantes 2.2.5.3. Métodos de adición 2.2.5.4 Evaluación de los agentes inoculantes 2.2.6. Características metalúrgicas de hierros fundidos en hornos de Cubilote 2.2.7. Propiedades mecánicas de los hierros grises: Resistencia tensil y dureza 2.2.7.1. Resistencia última a la tracción (UTS) y dureza 2.2.7.2. Resistencia última a la tracción (UTS) y CE 2.3 REFERENCIAS

2-1 2-2 2-4 2-5 2-6 2-6 2-9 2-11 2-12 2-13 2-13 2-14 2-18 2-19 2-20 2-23 2-23 2-24 2-27 2-28

3. INFORMACIÓN EXPERIMENTAL 3.1. CONDICIONES GENERALES DE OPERACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE LAS PROBETAS FUNDIDAS

3-1

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2-29 2-29 2-30 2-31 2-33

3-2

Índice Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3.2. CONDICIONES EXPERIMENTALES OBTENIDAS EN LAS COLADAS 3.2.1. Composición química del metal fundido 3.2.2. Temperatura del metal fundido 3.3. AGENTES INOCULANTES 3.3.1. Composición química 3.3.2. Tamaño de partícula y porcentaje de inoculación 3.4. SELECCIÓN, DISEÑO Y ENSAYOS DE LAS PROBETAS FUNDIDAS 3.4.1. Probeta fundida para la obtención de las curvas de enfriamiento para el análisis térmico 3.4.1.1. Curvas de enfriamiento 3.4.1.2. Ensayos de dureza 3.4.1.3. Evaluación microestructural 3.4.2. Probetas fundidas en forma de cuñas para determinar la profundidad del chill 3.4.2.1. Ensayo para determinar la cantidad de chill 3.4.3. Probetas fundidas para el ensayo de tracción 3.4.3.1. Ensayos de tracción 3.4.4. Conjunto de probetas fundidas para determinar la velocidad de enfriamiento 3.5. CONDICIONES PARTICULARES DE CADA COLADA 3.6. REFERENCIAS

3-5 3-5 3-6 3-6 3-7 3-7 3-9

4. RESULTADOS 4.1. TEMPERATURAS DE OPERACIÓN DEL METAL FUNDIDO 4.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL METAL FUNDIDO 4.3. CURVAS DE ENFRIAMIENTO 4.4. NIVEL DE SANIDAD OBTENIDO A PARTIR DE LAS CUÑAS 4.5. EVALUACIÓN MICROESTRUCTURAL 4.5.1. Distribución y tamaño de grafito 4.5.2. Matriz y fases presentes 4.6. ENSAYOS DE DUREZA 4.7. ENSAYOS DE TRACCIÓN 4.8. REFERENCIAS

4-1 4-2 4-2 4-4 4-7 4-8 4-8 4-8 4-19 4-19 4-20

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.1. ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LAS CONDICIONES EXPERIMENTALES DE LAS COLADAS 5.1.1. ANOVA para la temperatura de vaciado

5-1

9

3-9 3-10 3-10 3-10 3-11 3-12 3-12 3-16 3-16 3-19 3-20

5-2 5-2

Índice Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

5.1.2. ANOVA para el carbono equivalente 5.2. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS DE LAS PROPIEDADES EVALUADAS EN FUNCIÓN DE LA CONDICIÓN DE INOCULACIÓN 5.2.1. Análisis térmico a partir de las curvas de enfriamiento 5.2.2. Sanidad 5.2.4. Evaluación microestructural de las características del grafito 5.2.5. Propiedades mecánicas 5.2.6. Influencia de la velocidad de enfriamiento para el metal inoculado con SiC 5.3. REFERENCIAS

5-6 5-6 5-12 5-14 5-17

6.1. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTURO 6.1. CONCLUSIONES 6.2. TRABAJOS FUTURO

6-1 6-2 6-3

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5-4

5-20 5-23

1. INTRODUCCIÓN

Introducción Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

"The metallurgy of gray irons is extremely complex because of a wide variety of factors that influence their solidification and subsequent solid-state transformations" Doru M. Stefanescu

Dentro de la producción mundial de metal fundido, los hierros fundidos son las aleaciones más utilizadas a nivel mundial, las estadísticas del año 2010 muestran que en el 2009, la cifra alcanzó el 73% del total de las 80 millones de toneladas producidas en el mundo, la producción estuvo repartida así: 26% entre hierros nodulares y maleables y 47% de hierros grises [1]. Tal como se observa, casi la mitad del metal fundido entre aleaciones férreas y no férreas, corresponde a hierros grises fundidos. Esto se debe a varias razones: su alta colabilidad, sus bajos costos (20-40% menor que el acero) [2] y el amplio rango de propiedades mecánicas y térmicas alcanzadas para un uso específico [3]. Las propiedades mecánicas y el desempeño en servicio de estos materiales están fuertemente influenciados por sus características microestructurales, tales como la morfología, el tamaño y la distribución de las láminas de grafito, y del tipo de matriz, de las diferentes inclusiones y carburos presentes, las cuales, a su vez, dependen fundamentalmente de la composición química, del tratamiento del metal fundido y de la velocidad de enfriamiento durante la solidificación [4]. El procedimiento de metalurgia en cuchara, conocido como inoculación en cuchara, consiste en adicionar al metal a obtener un agente inoculante, éste permite crear muchos sitios de nucleación dentro del metal fundido (inoculación), para que durante la solidificación eutéctica el sobreenfriamiento sea menor, lo que disminuye la tendencia a formar carburos eutécticos (chill) favoreciendo la precipitación del grafito libre y la formación de una microestructura de grafito laminar tipo A de tamaño pequeño. Todas estas características en conjunto incrementan considerablemente las propiedades mecánicas y la maquinabilidad de las piezas fundidas [3, 5]. Los agentes inoculantes más comúnmente utilizados son los base ferrosilicio, los cuales presentan algunas variaciones en su composición química, especialmente en los elementos que actúan como formadores de los sitios de nucleación, tales como el bario, calcio, aluminio, estroncio, manganeso, azufre, zirconio, titanio, bismuto, y elementos de tierras raras tales como el lantano y el cerio [6-15].

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Introducción Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Recientemente se han realizado investigaciones de la utilización del carburo de silicio metalúrgico, SiC, como agente inoculante tanto en las fundiciones grises [16-18] como en las nodulares [19-22]. En estos estudios el SiC es adicionado junto con el metal de carga, tanto en hornos de cubilote [23-27], como en hornos eléctricos [23] y ha sido usado como agente inoculante solamente en hornos de inducción, es decir, el SiC se ha adicionado antes de que el metal fundido sea vaciado en la cuchara. Dentro de los estudios de comparación del SiC frente a los inoculantes a base de FeSi se han encontrado ventajas tales como: el incremento de la temperatura de liquidus y de la temperatura eutéctica [16, 17], la reducción del sobreenfriamiento y el aumento de la cantidad de celdas eutécticas [16, 17], el incremento del contenido del grafito tipo A [16-18, 28], un menor decaimiento de la efectividad del inoculante (Fading) [29], el mejoramiento de la maquinabilidad en las piezas fundidas y la disminución de la tendencia al chill [17, 30]. Debido a este control en la solidificación, se obtienen piezas con propiedades más homogéneas en secciones delgadas donde la velocidad de enfriamiento es más alta y en consecuencia se presentan zonas endurecidas debido al alto contenido de carburos eutécticos originados por enfriamientos acelerados en la solidificación del metal [3, 5]. La investigación que se abordó, consistió en evaluar el efecto inoculador del SiC en hierros grises obtenidos a partir de horno de cubilote, comparándolo con dos inoculantes base ferrosilicio comerciales y con metal sin inocular, bajo tres condiciones de inoculación: SiC-1 (tamaño de partícula 1 y porcentaje de inoculación 2), SiC-2 (tamaño de partícula 2 y porcentaje de inoculación 1) y SiC-3 (tamaño de partícula 2 y porcentaje de inoculación 2). Es importante anotar que, a nivel mundial, hasta el momento no se ha realizado una investigación sistemática con el SiC usado como agente inoculante adicionado en cuchara en metal obtenido a partir de horno de cubilote. La evaluación se realizó para piezas con espesores de pared bajos, mediante la realización de análisis térmico, la determinación del nivel de sanidad, la evaluación microestructural y la medición de propiedades mecánicas de todas las condiciones de inoculación evaluadas. Adicionalmente, se determinó la influencia de la velocidad de enfriamiento del metal inoculado con las diferentes condiciones del SiC y se comparó con el metal sin inocular.

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Introducción Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Para llevar a cabo la evaluación del efecto inoculador del SiC en hierros grises, los objetivos propuestos para este trabajo son los siguientes:

1.1. OBJETIVOS 1.1.1. Objetivo General Estudiar el efecto de la utilización de carburo de silicio como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises.

1.1.2. Objetivos específicos 1.1.2.1. Comparar el efecto sobre las propiedades mecánicas y microestructurales de la utilización de carburo de silicio como agente inoculante con el efecto de la utilización de ferrosilicios comerciales utilizados para el mismo fin. 1.1.2.2. Establecer la influencia de la velocidad de enfriamiento en el efecto inoculante del carburo de silicio. 1.1.2.3. Determinar la influencia del tamaño de partícula y del porcentaje de inoculación en la eficiencia de los inoculantes utilizados para el estudio. 1.1.2.4. Identificar el efecto del SiC en la formación de grafito laminar en los hierros grises.

1.2 REFERENCIAS [1] [2]

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M.C. Staff, “44th Census of World Casting Production,” Modern Casting, vol. 100, (no. 12), pp. 23-27, 2010. L. Collini, G. Nicoletto, and R. Konecná, “Microstructure and mechanical properties of pearlitic gray cast iron,” Materials Science and Engineering: A, vol. 488, (no. 1-2), pp. 529-539, 2008. D.B. Craig, M.J. Hornung, and T.K. McCluhan., “Gray Iron,” in ASM Handbook Vol. 15. Casting, USA: ASM International, 1999, pp. 629-646. J.R. Davis, “Classification and Basic Metallurgy of Cast Iron,” in ASM Speciality Handbook: Cast Irons, , ASM-INTERNATIONAL ed., USA, 1996, pp. 3-15. AFS, “Inoculation Practice and Control,” in Introduction to Gray Cast Iron Processing, USA, 2000, pp. 79-91.

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I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, T. Skaland, and M.I. Onsoien, “Analyses of Possible Nucleation Sites in Ca/Sr Over-inoculated Gray Irons,” AFS Transactions, vol. 109, pp. 1151-1162, 2001. I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, and T. Skaland, “A New Approach to Graphite Nucleation Mechanism in Gray Irons,” Proceedings of the AFS Cast Iron Inoculation Conference (2005), pp. 31-42, 2005. I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, and D. White, “Chilling properties of Ba/Ca/Sr inoculated grey cast irons,” International Journal of Cast Metals Research, vol. 20, (no. 2), pp. 90-97, 2007. M. Chisamera, I. Riposan, S. Stan, C.B. Albu, C. Brezeanu, and R.L. Naro, “Comparison of Oxy-sulfide Alloy Tablets and Ca-bearing FeSi75 for Late Inoculation of Low Sulfur Grey Irons,” AFS Transactions, vol. 115, (no. 07023(05)), pp. 1-13, 2007. I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, P. Toboc, C. Ecob, and D. White, “Al,ZrFeSi preconditioning of grey cast irons,” Materials Science and Technology, vol. 24, (no. 5), pp. 579-584, 2008. M. Chisamera, I. Riposan, S. Stan, D. White, and G. Grasmo, “Graphite nucleation control in grey cast iron,” International Journal of Cast Metals Research, vol. 21, (no. 1-4), pp. 39-44, 2008. I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, and D. White, “Complex (Mn, X)S compounds - major sites for graphite nucleation in greycast iron,” China Foundry, vol. 6, (no. 4), pp. 352-357, 2009. I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, C. Ecob, and D. Wilkinson, “Role of Al, Ti, and Zr in Gray Iron Preconditioning/Inoculation,” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 18, (no. 1), pp. 83-87, 2009. M. Chisamera, I. Riposan, S. Stan, C. Ecob, G. Grasmo, and D. Wilkinson, “Preconditioning of electrically melted grey,” U.P.B. Sci. Bull., Series B,, vol. 71, (no. 3), pp. 1-12, 2009. M. Chisamera, I. Riposan, S. Stan, C. Militaru, I. Anton, and M. Barstow, “Inoculated Slightly Hypereutectic Gray Cast Irons,” Journal of Materials Engineering and Performance, pp. 1-8, 2011. K. Edalati, F. Akhlaghi, and M. Nili-Ahmadabadi, “Influence of inoculant and/or SiC addition on characteristics of grey cast iron,” International Journal of Cast Metals Research, vol. 17, (no. 3), pp. 147-151, 2004. K. Edalati, F. Akhlaghi, and M. Nili-Ahmadabadi, “Influence of SiC and FeSi addition on the characteristics of gray cast iron melts poured at different temperatures,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 160, (no. 2), pp. 183-187, 2005. W.D. Schubert, A.T. Ta, G. Kahr, T. Benecke, and B. Lux, “Influence of SiC additions on the microstructure of gray cast iron,” in The Physical Metallurgy

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[28]

[29] [30]

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1-6

qwertyCupolafurnaceuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfgraycastironhjkl zxcvinoculantuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasnucleationbnmqwertyuio pasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghj klzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklBrinell 2. Revisión zxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnm bibliográfica qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnSiliconCarbidemqw eutecticsdfghjklzxcnmqwertyuiChillop asdfgFerrosiliconhjklzxcvbnmqwertyu iopasdfghjklzxcvbnmqwerCastingtyui opasdfghjklzGraphitexcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuioMicros paUltimateTensilStrengthsdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwe rtyuilzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiop

2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

2.1. HIERROS FUNDIDOS Dentro de la producción mundial de metal fundido, los hierros fundidos son las aleaciones más utilizadas. Las estadísticas del año 2010 muestran que en el año 2009, la cifra alcanzó el 73% del total de las 80 millones de toneladas producidas en el mundo [1] . Es una de las aleaciones más complejas dentro de la producción de metal fundido, debido a la amplia variedad de factores que influyen en su solidificación y subsecuentemente, en sus transformaciones en estado solido [2]. Aún así son producidos ampliamente, ya que permiten cubrir un amplio rango de propiedades tanto mecánicas, como térmicas, gracias a su alta colabilidad, excelente maquinabilidad, sus bajos costos de producción (20-40% menor que el acero) [3] y sus propiedades únicas [4]. En la figura 2.1, se presenta a modo de comparación la distribución de las diferentes aleaciones fundidas.

Figura 2.1. Distribución mundial de metal fundido según las estadísticas presentadas en el 2010 (A Modern Casting Staff report) [5].

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2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Dentro de las aleaciones férreas, los hierros fundidos son aleaciones multicomponentes que solidifican con un eutéctico. Estos contienen elementos de aleación, principales (hierro, carbono y silicio), menores (>0.1%) y elementos traza (< 0.1%). Las cantidades de carbono y silicio son superiores a la de los aceros y a diferencia de estos, presentan en su microestuctura una fase rica de carbono, (grafito libre o Fe3C). Los hierros fundidos pueden solidificar de acuerdo al sistema termodinámicamente estable, Fe-Grafito (Línea continua) o al metaestable, Fe-Fe3C (Línea punteada), como puede observarse en la figura 2.2.

Figura 2.2. Diagrama de fase Hierro-Carbono [6].

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2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Cuando la solidificación se da en condiciones estables, la fase rica de carbono en el eutéctico es grafito, pero cuando se da en condiciones metaestables, lo es el carburo de hierro (constituyente intermetálico). La formación de un eutéctico estable o metaestable, depende de muchos factores incluyendo el potencial de nucleación del metal fundido, la composición química y la velocidad de enfriamiento. Los dos primeros determinan el potencial de grafitización del hierro, PG. Un alto PG en un hierro, puede favorecer la formación de grafito, como la fase rica en carbono, mientras que un hierro con bajo PG, favorece la formación de Fe3C en dicha fase [7]. Refieriéndose solo a estos dos sistemas binarios, los hierros fundidos pueden ser definidos como aleaciones hierro-carbono con más de 2% de carbono, pero el silicio y otros elementos de aleación, pueden cambiar considerablemente la solubilidad máxima del carbono en la austenita. Por lo tanto, existen casos excepcionales de aleaciones con menos del 2% de carbono, que pueden solidificar con una estructura eutéctica y seguir perteneciendo a la familia de los hierros fundidos [8].

2.1.1. Clasificación Historicamente, la primera clasificación de los hierros fundidos fue basada en la apariencia de la superficie de la fractura, en donde inicialmente dos tipos de hierros fundidos fueron reconocidos: la fundición gris y la fundición blanca. A raíz del desarrollo de la metalografía, una segunda clasificación ha podido realizarse con base en la microestructura: - Forma del grafito: grafito laminar (hojuelas), grafito esferoidal (nódulos), grafito compacto (vermicular) y grafito de revenido, resultado de una reacción en estado sólido (tratamiento térmico de maleabilización). - Matriz: ferrítica, perlítica, austenítica, martensítica, ausferrítica (austemperada). Además de esta clasificación con base en la microestructura, existe una clasificación comercial que es más reconocida para distinguir los diferentes hierros fundidos; en la tabla 2.1, se muestra la correspondencia de esta clasificación con su microestructura, así como el procesamiento final en la obtención de cada uno de los hierros fundidos comúnes.

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2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Tabla 2.1. Clasificación de hierros fundidos por designación comercial, microestructura y fractura [7, 8]. Designación comercial

Fase rica en carbono

Matriz(a)

Fundición gris Grafito laminar Fundición atruchada Grafito laminar + Fe3C

P

Color de la fractura Gris Multicolor

Etapa final de procesamiento

Solidificación

Fundición de Grafito compacto

Grafito vermicular compacto

F, P

Gris

Fundición nodular

Grafito esferoidal

F, P, A

Gris plateado

Solidificación o tratamiento térmico

Fundición blanca

Fe3C

P, M

Blanco

Solidificación o tratamiento térmico(b)

Grafito de revenido

F, P

Grafito esferoidal

AF

Gris plateado

Tratamiento térmico

Fundición maleable Fundición nodular austemperada

(a) F: Ferrita; P: Perlita; A: Austenita; M: Martensita; AF: Ausferrita. (b) las fundiciones blancas no son usualmente sometidas a tratamiento térmico, sólo para aliviar tensiones y para continuar la transformación de la austenita.

Los hierros fundidos anteriormente enunciados, corresponden a los más comunes y son aplicados para propósitos generales, los cuales pueden considerarse de baja aleación o no aleados. Adicionalmente, existen los hierros fundidos de alta aleación o hierros fundidos especiales, como su nombre lo indica, poseen un alto contenido en los elementos de aleación (>3%) y promueven microestructuras que permiten desarrollar propiedades para aplicaciones especiales, en donde se requiere resistencia a altas temperaturas, a la corrosión y al desgaste.

2.2. FUNDICIONES GRISES Dentro de la familia de los hierros fundidos, las fundiciones grises son las aleaciones de mayor relevancia, tal como se presentó en la figura 2.1, estas corresponden casi a la mitad (46.8%) de la producción mundial de metal fundido [5]. Se caracterizan por tener una microestructura constituida por grafito en forma de hojuelas en una matriz férrea.

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2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Las propiedades mecánicas y el desempeño en servicio de estos materiales están fuertemente influenciados por sus características microestructurales, tales como el tamaño y la distribución de las láminas de grafito, y del tipo de matriz, la distribución de fases dentro de la matriz, las cuales, a su vez, dependen fundamentalmente de la composición química, de la velocidad de enfriamiento durante la solidificación y del tratamiento del metal fundido [7].

2.2.1. Composición química Los elemementos de aleación en los hierros grises pueden dividirse en tres categorías. La primera categoría incluye los elementos de aleación principales, tales como el carbono y el silicio. La segunda categoría relaciona los elementos de aleación menores (fósforo, azufre y manganeso), los cuales están críticamente relacionados con la solidificación del hierro gris. La tercera categoría corresponde a los elementos traza, que alteran tanto la morfología del grafito, como el tipo de matriz.

2.2.1.1. Elementos principales El carbono es el elemento más importante dentro de los hierros grises, ya que sin contar con el carbono presente en la matriz, este puede precipitar como grafito, para formar las láminas de grafito (solidificación estable) o puede combinarse químicamente para formar carburos de hierro Fe3C (solidificación metaestable) [2]. El silicio reduce considerablemente la solubilidad del carbono en la austenita, se disuelve en la ferrita del hierro gris y fomenta la grafitización. Los altos contenidos de silicio, incrementan la estabilidad de la ferrita (la región α se alarga, mientras que la región γ se reduce), esto hace que tanto la dureza como la resistencia tensil disminuyan [7, 9]. Además, el silicio disminuye la estabilidad del Fe3C, el cual es semiestable, afectando su cinética de formación, más no su composición química. Como puede observarse en los diferentes diagramas de fase de la figura 2.3, correspondientes a secciones verticales del diagrama ternario Fe-C-Si, a medida que el contenido de silicio aumenta, los contenidos de carbono del eutectoide y del eutéctico disminuyen, mientras que las temperaturas del eutéctico y del eutectoide se elevan [9, 10].

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2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Figura 2.3. Influencia del contenido de silicio en las líneas de solubilidad y en las temperaturas de equilibrio del sistema Fe-C a (a) 4% Si, (b) 2% Si y (c) 0% Si. (Cα: Cementita) [9]. Es por esto necesario, relacionar una aproximación del impacto que tienen el carbono y silicio juntos en la solidificación, mediante el concepto de Carbono Equivalente, CE, el cual es determinado de acuerdo a la siguiente ecuación:

CE= %C +

%Si 3

2-7

(Eq 2.1)

2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Cuando se tienen contenidos apreciables de fósforo [7], este es incluído dentro de la expresión así: CE= %C +

%Si + %P 3

(Eq 2.2)

Un valor de CE de 4.3, indica que el hierro es de composición eutéctica; valores inferiores a este, relaciona hierros hipoeutécticos y valores superiores están asociados a los hierros hipereutécticos. La mayoría de los hierros grises son hipoeutécticos y casi todas las propiedades mecánicas y físicas, están estrechamente relacionadas con el valor del CE. En la figura 2.4, se muestran los rangos de carbono y silicio para los hierros fundidos más comunes.

Figura 2.4. Rangos de carbono y silicio para los hierros más comunes [6]. En la figura 2.4, la línea punteada determina los valores cuyo CE es de 4.3, correspondiente al eutéctico. La línea continua relaciona la máxima solubilidad del carbono en la austenita. A medida que aumenta el contenido del carbono, se incrementa la cantidad de fase rica en carbono (grafito o Fe3C), y para altos contenidos tanto de carbono como de silicio se incrementa el potencial de grafitización, se logra una alta colabilidad y se disminuye la tendencia al chill

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2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

(región localizada de carburos primarios, en una pieza fundida a partir de un hierro que solidifica comúnmente libre de ellos [11]). Tal como se observa en la figura 2.4, los rangos de carbono y silicio para los hierros grises son muy amplios, en comparación con los otros hierros fundidos. Es por esto, que si se comparan hierros grises con el mismo valor de CE, pero con contenidos de carbono y silicio muy diferentes entre ellos, pueden llegar a no tener las mismas propiedades mecánicas y fisicas en las piezas fundidas [12]. La clasificación más común de las fundiciones grises, se hace con base en la norma ASTM A48 [13], la cual clasifica los varios tipos en términos de la mínima resistencia a la tracción obtenida, expresada en ksi. Esta norma no indica una escala ascendente de calidad desde la clase 20 (20 KSI ó 140 MPa) a la clase 60 (60 KSI ó 410 MPa), debido a que, si bien la resistencia a la tracción es un parámetro importante en la escogencia del material para la aplicación en cuestión, no siempre asegura otras propiedades; por ejemplo en autopartes en donde se requiere que la resistencia al amortiguamiento sea alta, una resistencia a la tracción baja es ventajosa [14]. En la tabla 2.2, se presentan los rangos típicos de carbono y de silicio, para cada una de las clases de hierros grises. Tabla 2.2. Rangos típicos de carbono y de silicio de las diferentes clases de hierros grises [4, 15]. Clase (ksi) Clase Clase Clase Clase Clase

20 30 40 50 60

Carbono (%)

Silicio (%)

3.40 - 3.60 3.10 - 3.30 2.95 - 3.15 2.70 – 3.00 2.50 - 2.85

2.30 - 2.50 2.10 - 2.30 1.70 – 2.00 1.70 – 2.00 1.90 - 2.10

CE* 4.2 3.8 3.5 3.3 3.1

-

4.4 4.1 3.8 3.7 3.6

* Los rangos de CE fueron calculados usando la Eq 2.1.

2.2.1.2. Elementos menores Fósforo Las cantidades normales de fósforo que se encuentran en los hierros grises, están comprendidas entre 0.002 a 1.0 %. Este incrementa el CE y la fluidez del hierro fundido [16]. El fósforo junto con el hierro, forma un fósfuro eutéctico (Fe3P), cuya fase es de bajo punto de fusión (952 ºC), conocida como esteadita que suele ser la

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última fase en solidificar [17]. Existen dos tipos de este eutéctico: el ternario y el pseudo-binario. El primero contiene ferrita, Fe3P y cementita, es conocido como “eutéctico ternario de grano fino” y solidifica en hierros que tienen contenidos de fósforo hasta 0.4%. El segundo, el eutéctico pseudo-binario, contiene ferrita, Fe2P y cementita, desarrolla un patrón característico de “espina de pescado” y solidifica en hierros que contienen altos contenidos de Mn, Si y P y muy bajos contenidos de elementos estabilizadores de carburos (Cr, V, Mo, W), junto con una baja velocidad de enfriamiento [18]. Es por esto que se debe controlar el fósforo a contenidos de 0.02 a 0.10%.

Azufre y Manganeso El azufre juega un papel muy importante en la nucleación del grafito en los hierros grises; sólo en bajos contenidos (0.02-0.15%) es un fuerte promotor de grafito tipo A [10], haciendo que el sobreenfriamiento disminuya y la cantidad de celdas eutécticas aumente [19]; en altos contenidos promueve la formación del Fe3C y la cantidad de celdas eutécticas disminuye [20]. Es por esto, que es necesario controlar la cantidad de azufre y evitar la formación de FeS, mediante la adición de manganeso, que gracias a su alta afinidad química con el azufre (Mn/S=1.7), permite la formación de sulfuros de manganeso (MnS), de acuerdo a las siguientes reacciones:

Mn+S Mn+FeS

MnS MnS+Fe

(Eq 2.4 ) (Eq 2.5 )

La cantidad de manganeso necesaria para neutralizar el azufre y evitar la formación de FeS, mediante la formación de MnS es: Mn% requerido =1.7×%S +0.3

(Eq 2.6 )

El MnS no tiene efectos nocivos, ya que se distribuye dentro de la celda eutéctica, a diferencia del FeS, que se distribuyen en los límites de la celda eutéctica [7]; además en hierros no inoculados, el MnS es el nucleante de grafito más efectivo [20-22]; en hierros inoculados con inoculantes base ferrosilicio, los MnS del metal fundido, forman compuestos junto con los elementos contenidos en estos inoculantes, (Mn,X)S (donde X=Fe, Al, O, Si, Ca, Ba, Sr, Ti, elementos de tierras raras, etc.), dichos compuestos forman sitios de nucleación, éstos son los más factibles para que se propicie la nucleación de grafito [23].

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2. Revisión bibliográfica Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Adicionalmente, la relación 2.7, permite estimar la cantidad de MnS presente. Los valores altos (bajo contenido de S), corresponden a que el azufre no está balanceado y que el hierro tiene un bajo potencial de grafitización [24]. Valores bajos (altos contenido de S), indican una alta presencia de MnS y por ende un alto potencial de grafitización [25]. Relación Mn/S=

%Mn %S

(Eq 2.7 )

Los contenidos de manganeso pueden variar desde 0.1% (hierros ferríticos) hasta 0.12% (hierros perlíticos), ya que éste estabiliza la perlita e incrementa la dureza, sin embargo, este elemento no es adicionado como elemento endurecedor, ya que afecta desfavorablemente la nucleación del grafito. En la mayoría de los hierros grises, los niveles de manganeso están comprendidos entre 0.5-0.8% Mn [26] .

2.2.1.3. Elementos traza Los elementos traza más comúnes, y los efectos que dichos elementos propician en la microestructura de los hierros grises, se presentan en la tabla 2.3. Tabla 2.3. Efectos de elementos traza en los hierros grises [4, 16, 27]. Elemento

(%)

Efectos Fuerte promotor de grafito; por encima de 0.005% promueve Aluminio ≤ 0,03 defectos como pinholes de hidrógeno en secciones delgadas, especialmente cuando se usan moldes de arena en verde Promueve la perlita, los carburos y la tendencia al chill en Cromo ≤ 0,3 secciones delgadas; incrementa la resistencia. Cobre ≤ 0,5 Promueve la perlita; incrementa la resistencia. Estaño ≤ 0,15 Fuerte estabilizador de la perlita, incrementa la resistencia. Promueve defectos como pinholes de hidrógeno y fisuras en la superficie de las piezas fundidas, el inverse chill cuando el Hidrógeno ≤0,0004 contenido de manganeso es insuficiente y el engrosamiento de las láminas de grafito. En muy bajas cantidades no tiene ningún efecto significativo; en Níquel ≤ 0,5 grandes cantidades es grafitizador. Promueve grafito de sobreenfriamientos altos; en presencia del Titanio ≤ 0,15 aluminio, promueve el defecto de pinhole de hidrógeno. Refina las láminas de grafito; incrementa considerablemente la Vanadio ≤ 0,10 resistencia y la dureza; promueve la perlita y los carburos; a altos niveles promueve la formación de carburos y la tendencia al chill.

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2.2.2. Solidificación En los hierros grises, la solidificación y la transformación en estado sólido de la aleación, son las responsables del desarrollo del grafito y del tipo de matriz metálica. La mayoría de los hierros grises son aleaciones hipoeutécticas, pero en menor cantidad, también pueden ser hipereutécticas. De manera breve, se presentan los diferentes eventos de solidificación asociados a estas aleaciones. Cada uno de estos eventos es relacionado en la figura 2.5.

Figura 2.5. Diagrama de fase simplificado del sistema Fe-C-Si con 2% de Si [28].

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Como los hierros grises son aleaciones Fe-C-Si principalmente, los fundamentos del proceso de solidificación de esta aleación, son relacionados normalmente por diagramas ternarios de equilibrio. Sin embargo, un diagrama esquemático y simplificado, como el que se presenta aquí, puede ser útil para presentar las ideas más relevantes a lo largo del enfriamiento para un hierro gris con 2% de Si.

2.2.2.1. Estado líquido A temperaturas por encima de los puntos 1 y 6, el hierro fundido está completamente en estado líquido. Las aleaciones que tienen CE > 3.5%, en este estado son sistemas coloidales dispersos de microgrupos de carbono en la solución líquida [29]. Existen varias hipótesis acerca de la naturaleza de estos microgrupos, los cuales pueden ser clusters de Fe3C [29] o clusters de Cn [30, 31]. Estos microgrupos, actúan como los núcleos iniciadores de la nucleación heterógenea. Pero si se incrementa la temperatura de sobrecalentamiento, estos núcleos efectivos pueden ser destruídos [32], esto incide a su vez en el incremento del sobreenfriamiento y consecuentemente, la cantidad de celdas eutécticas disminuye, favoreciendo la tendencia al chill [32, 33].

2.2.2.2. Nucleación de las fases primarias A medida que la temperatura del metal fundido va disminuyendo, y se alcanza la temperatura de líquidus, inicia el enfriamiento primario. De acuerdo al contenido de CE la primera fase en solidificar puede ser la austenita en los hierros grises hipoeutécticos (punto 1), o el grafito en los hipereutécticos (punto 6).

Austenita primaria Entre los puntos 1 y 2, se inicia la formación de dendritas de austenita proeutéctica. El tamaño de las dendritas, es determinado principalmente por el contenido de CE y la velocidad de solidificación, ya que a más tiempo (intervalo de temperatura más amplio), se favorece la nucleación y el crecimiento de la austenita. Elementos tales como el Cr, Ti y V, pueden incrementar la cantidad de dendritas y su longitud, ya que estos facilitan la formación de carburos, nitruros y carbonitruros, que actúan como substratos para la solidificación austenítica. Estos elementos a su vez, incrementan el sobreenfriamiento en la solidificación eutéctica, restringiendo el crecimiento de las celdas eutécticas [29].

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Grafito primario “Es razonable pensar que los núcleos que se encuentran activos desde el estado líquido y que favorecen la solidificación del grafito eutéctico en los hierros hipoeutécticos, también lo son para el grafito primario en los hierros hipereutécticos; Sin embargo, hay que señalar que la inoculación dada por estos núcleos, no parece aumentar significativamente el número de celdas eutécticas en los hierrros grises hipereutécticos, pero en los hierros nodulares hipereutécticos es muy eficaz”. (Stefanescu, 1999) [34].

2.2.2.3. Nucleación y crecimiento del eutéctico Cuando se alcanza la temperatura eutéctica, dentro de la región del enfriamiento eutéctico, (puntos 2-3 y 7-8), el tipo de sólido eutéctico que se forma, depende de si la solidificación es termodinámicamente estable (grafito eutéctico) ó metaestable (Fe3C eutéctico).

Eutéctico Austenita - grafito laminar (E-GL) Una amplia variedad de compuestos sirven como núcleos iniciales para nuclear grafito laminar, tales como óxidos (SiO2, Al2O3), silicatos, sulfuros, nitruros (BN), carburos (Al4C3) y compuestos intermetálicos [22]. Además gran cantidad de elementos como el Mn, S, Ca, Ba, Sr, Ti y los lantánidos (La, Ce, etc), actúan como inoculantes de grafito y juegan un papel muy importante en la nucleación heterógenea del grafito [34]. Altas concentraciones de silicio en el metal fundido, puede contribuir a la nucleación de grafito. Existen muchas teorías acerca de la evolución de la forma de grafito a partir de los diferentes núcleos posibles, y de hecho, muchos de los inoculantes efectivos para grafito laminar, también son usados para grafito esferoidal. Pero en general, la teoría más aceptada, corresponde a la de elementos activos de superficie [35]. El crecimiento del grafito en forma laminar, es favorecido por la presencia de elementos activos como S y O2, los cuales disminuyen la tensión superficial, haciendo que la velocidad de la dirección a sea mayor que la de la dirección c, en la red hexagonal del grafito, tal como se observa en la figura 2.6b [36].

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Figura 2.6. Cambio en la velocidad de crecimiento del grafito y a su vez de forma, debido a la absorción de elementos externos. a) Ambiente puro, b) Ambiente contaminado con elementos activos de superficie (S, O2), c) Elementos esferoidizadores (Mg, Ce, La) adicionados como impurezas reactivas [36].

El eutéctico austenita-grafito, crece con la formación de celdas eutécticas, cada una de ellas es el resultado de un evento de nucleación. Estas celdas, son esferoidales, compuestas de láminas de grafito interconectadas, rodeadas de austenita, como puede verse en la figura 2.7a. El grado de ramificación del grafito dentro de la celda, determina el sobreenfriamiento, si la ramificación es mayor, el sobreenfriamiento es mayor [34], ya que cada vez que se forma una celda eutéctica, una pequeña cantidad de calor es generado, el cual calienta el líquido alrededor y disminuye la velocidad de solidificación, por lo tanto entre más celdas se formen, mayor será el calor generado y más lenta será la solidificación, a velocidades cercanas a las de equilibrio [37].

Eutéctico Austenita-Fe3C, (E- Fe3C); (Ledeburita) Este eutéctico crece muy rápido y puede propagarse en todas las partes de la pieza fundida; su crecimiento inicia con el desarrollo de una placa de cementita, en la cual una dendrita de austenita nuclea y crece; esto desestabiliza el Fe3C que a su vez crece a través de la austenita. Como resultado de este evento, se desarrollan dos estructuras eutécticas: la primera, en forma de láminas de Fe3C y austenita alternadas, que crecen a lo largo de la dirección de borde, como se muestra en la figura 2.7b, esta estructura presenta una mayor cinética de crecimiento, por lo tanto, predomina en la microestructura. La segunda estructura

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eutéctica crece de modo cooperativo y a expensas de la primera, crece en la dirección cristalográfica c de la cementita, en forma de “barritas” de Fe3C [29, 38].

Figura 2.7. Crecimiento del eutéctico: (a) Austenita-Grafito (celda eutéctica), (b) Austenita-Fe3C (ledeburita); la fase blanca es Fe3C y la negra es la austenita [38].

Como se muestra en la figura 2.8, sólo el E-GL puede nuclear y crecer en el enfriamiento eutéctico, (puntos 2 y 3 de la figura 2.4), comprendido entre 1153 ºC (temperatura eutéctica del grafito eutéctico) a 1148 ºC (temperatura eutéctica del Fe3C eutéctico), mientras que por debajo de 1148 ºC, tanto E-Fe3C como E-Gl, pueden aparecer, sin embargo, como la velocidad de crecimiento del E-Fe3C, es más alta que la de E-GL, aproximadamente a 1140 °C, se da la transición de solidificación de gris a blanca. La presencia de grafito eutéctico (solidificación gris) ó Fe3C (solidificación blanca), o de ambos, como se ha mencionado, depende de la probabilidad de nucleación y de la velocidad de crecimiento de cada una de las fases eutécticas, pero también depende de la composición química, como puede verse en la figura 2.9 y de la velocidad de enfriamiento de la aleación, como se muestra en la figura 2.10.

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Figura 2.8. Transición de solidificación gris a blanca, en función del sobreenfriamiento y la velocidad de crecimiento. A) Microestructura blanca; B) Microestructura gris [38].

Figura 2.9. Influencia de los diferentes aleantes en las temperaturas eutécticas del grafito eutéctico y del Fe3C eutéctico [39].

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Figura 2.10. Enfriamiento de una aleación con CE de 4.0%. A la Izquierda: Diagrama de fases esquemático (Los puntos 1-3 son los mismos de la figura 2.5). A la derecha: Curvas de enfriamiento para la solidificación gris y blanca [40].

2.2.2.4. Transformaciones en estado sólido En la grafitización en estado sólido, el exceso de carbono en la austenita, es precipitado como grafito en el modo de solidificación gris (puntos 3-4, figura 2.5) y como Fe3C en el modo de solidificación blanca (puntos 8-9, figura 2.5), esto permite que la austenita adquiera la cantidad de carbono necesaria para la transformación eutectoide (puntos 4-5 y 9-10, figura 2.5), en donde la austenita se transforma a ferrita o a perlita, dependiendo de factores tales como el potencial de grafitización, de la velocidad de enfriamiento y de la composición química de la aleación. En condiciones de alto potencial de grafitización, tales como altos contenidos de silicio y a bajas velocidades de enfriamiento, correspondiente a secciones gruesas, se favorece la formación de ferrita, en donde la dureza y la resistencia tensil se disminuyen. Estas bajas velocidades de enfriamiento, favorecen la difusión del carbono de la austenita al grafito y por lo tanto la disminución de la cantidad de carbono retenido en la matriz, por ende la austenita se transforma a ferrita.

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Mientras que la perlita, es favorecida por las altas velocidades de enfriamiento y la presencia de elementos que la estabilizan, como se mencionó anteriormente. A medida que esta velocidad de enfriamiento aumenta, el espaciamiento interlaminar es más pequeño, en donde la dureza y a su vez la resistencia tensil, se incrementan [7, 35].

2.2.3. Curvas de enfriamiento Las curvas de enfriamiento registran la evolución de la temperatura de una aleación en función del tiempo, por lo tanto, permiten trazar toda la historia de solidificación de una aleación, tal como se mostró en la figura 2.10 (derecha), en donde se observa las curvas de enfriamiento de solidificación de un hierro hipoeutéctico, donde puede verse la evolución de la temperatura en función del tiempo tanto para la solidificación gris como para la blanca. A modo de comparación, en la figura 2.11, se presentan cuatro curvas de enfriamiento, características de hierros grises.

Figura 2.11. Curvas de enfriamiento de hierros: 1. Hipoeutécticos. 2. Eutécticos. 3. Levemente hipereutécticos. 4. Hipereutécticos con valores altos de CE [41]. Notaciones. A: Líquido primario correspondiente a la precipitación de austenita o grafito, no es identificable en las curvas 2 y 3. B: Comienzo del crecimiento eutéctico. TAL: Temperatura en la que se forma la austenita primaria en los hierros hipoeutécticos. TGL: Temperatura en la que se forma el grafito primario en los hierros hipereutécticos. TEN: Temperatura en la que ocurre la nucleación inicial y el crecimiento limitado del eutéctico. TEU: Temperatura más baja en donde el metal se sobreenfía para dar inicio al crecimiento del eutéctico. TER: Temperatura más alta del peldaño asociado al crecimiento eutéctico, correspondiente a la recalescencia del calor latente de solidificación de las fases eutécticas. TS: Temperatura de solidus.

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Como puede observarse, existen diferencias muy marcadas entre ellas; solo en la curva 1, puede observarse el peldaño que demarca el crecimiento de la austenita primaria (TAL). En las curvas 2 y 3, no puede identificarse ni la precipitación de la austenita, ni la formación el grafito. En la curva 4, aparece el peldaño relacionado con el crecimiento del grafito primario de los hierros hipereutécticos (TGL). Cabe anotar que una diferencia significativa entre estas curvas, es la aparición de un peldaño adicional (TEN), en las curvas 3 y 4, correspondientes a hierros hipereutécticos, este peldaño está relacionado con la nucleación y el crecimiento del grafito eutéctico. Finalmente, para las curvas de los hierros hipereutécticos el rango de tempertatura TEN-TEU, es denominado Sobreenfriamiento eutéctico, mientras que para los hierros hipoeutécticos y eutécticos TER-TEU, es denominado Recalescencia eutéctica [41].

2.2.4. Distribución y tamaño del grafito laminar Se clasifican según la norma ASTM A247 [42]. Los diferentes tipos de distribución del grafito laminar, se muestran de forma esquemática en la figura 2.12.

Figura 2.12. Tipos de grafito laminar según la norma ASTM A247 [26]. Cada uno de los cinco tipos de grafito está asociado a: [4, 8, 26, 29]

Grafito tipo A: Distribución uniforme, orientación aleatoria. Es característico de los hierros grises hipoeutécticos; es el que presenta el menor sobrenfriamiento de todos los tipos, ya que se forma en condiciones de alto grado de nucleación y a velocidades de enfriamiento moderadas, promoviendo la

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solidificación estable (eutéctico austenita-grafito); es el más deseable para que las propiedades mecánicas se vean mejoradas.

Grafito tipo B: Agrupamiento en rosetas, orientación aleatoria. Es formado en hierros de composición cercana a la eutéctica y presenta mayor sobrefriamiento que el tipo A.

Grafito tipo C: Láminas de tamaños superiores superimpuestas, orientación aleatoria. Es característico de los hierros grises hipereutécticos con altos contenidos de carbono; su solidificación presenta un mínimo sobreenfriamiento; debido a su distribución de láminas superpuestas, reduce las propiedades mecánicas, pero es mejor en aplicaciones que requiere alto grado de transferencia de calor.

Grafito tipo D: Segregación interdendritica, orientación aleatoria. Se encuentra en hierros grises hipoeutécticos y eutécticos, solidificados a altas velocidades de enfriamientos; presenta sobreenfriamientos muy altos.

Grafito tipo E: Segregación interdendritica, orientación preferencial. Se encuentra en hierros grises hipoeutécticos, con CE muy bajos (CE entre 3.3% y 3.5%) [43]; al igual que el tipo D, se presenta cuando el metal colado, solidifica a a altas velocidades de enfriamientos; presenta sobreenfriamientos muy altos. En la figura 2.13, se observa las curvas de enfriamiento características de todos los tipos de grafito [8, 44].

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Figura 2.13. Curvas de enfriamiento características de las diferentes distribuciones de grafito. Temperaturas de equilibrio de solidificación, Tst: estable y Tmst: metaestable [8, 44]. Al igual que la distribución de grafito, el tamaño de las láminas, depende del CE, especialmente del contenido de carbono y las velocidades de enfriamiento; las láminas largas están asociadas a hierros con alto CE y a bajas velocidades de enfriamiento, mientras que las cortas, están relacionadas con hierros hipoeutécticos, con CE muy por debajo de 4.3 y a altas velocidades de enfriamiento. En la tabla 2.4, se relaciona la dimensión máxima del tamaño de la lámina de grafito de cada una de las clases de tamaño, vista a 100X, según la norma ASTM A247. Tabla 2.4. * Tamaño de lámina más larga de cada clase vista en microscopio óptico a 100X (mm). Norma ASTM A247 [42]. Clase

1

2

3

4

5

6

7

8

*

128

64

32

16

8

4

2

1

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Cabe anotar que las láminas largas, incrementan propiedades tales como la capacidad de amortiguamiento, la estabilidad dimensional, la resistencia al choque térmico y la maquinabilidad; mientras que las láminas cortas, debido a que interrumpen en menor medida la continuidad de la matriz, favorecen la resistencia tensil y la resistencia al agrietamiento [4].

2.2.5. Inoculación La inoculación es definida como la adición de un agente inoculante al metal fundido con el fin de producir cambios en la distribución del grafito, estos agentes contienen elementos que permiten crear muchos sitios de nucleación dentro del metal fundido; esta gran cantidad de sitios de nucleación crean a su vez una gran cantidad de celdas eutécticas, el crecimiento de cada una de ellas genera calor y entre más celdas se formen, mayor será el calor generado, lo que le permite al hierro solidificar a velocidades más lentas, cercanas a la solidificación termodinámicamente estable, por lo tanto se favorece el crecimiento del grafito eutéctico y a su vez el sobreenfriamiento es reducido [45-47], ambas situaciones favorecen tanto el crecimiento de pequeñas láminas de grafito, con una distribución tipo A, como la disminución de la formación de carburos eutécticos de hierro (chill). Estos cambios microestructurales en conjunto, incrementan las propiedades mecánicas y la maquinabilidad de las piezas fundidas [4, 37].

2.2.5.1. Propósitos de un agente inoculante - Controlar la aparición de chill en secciones de la pieza fundida, donde la transferencia de calor es más alta, y por ende solidifican más rápido que el resto de la pieza. -Incrementar la resistencia tensil, especialmente en hierros de bajos CE, los cuales son más susceptibles a la formación de chill. - Evitar la formación de chill, en el metal fundido que se sostiene a la temperatura de colada por tiempos prolongados, (ya sea en horno eléctrico o cucharas de gran tamaño), ya que a este sostenimiento se le atribuye una reducción considerable de núcleos en el metal fundido. [4, 37]. - Como buen desoxidante, los inoculantes previenen la excesiva oxidación del metal fundido, ya que esta fomenta la formación de chill. Algunos inoculantes que contienen elementos como el aluminio, bario, calcio, cerio, circonio, estroncio, manganeso, silicio y titanio, bajo ciertas condiciones, actúan como desoxidantes. A menudo los productos de desoxidación actúan como núcleos [37].

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2.2.5.2. Tipos de inoculantes Los agentes inoculantes más ampliamente utilizados, han sido los inoculantes a base de ferrosilicio, pero también se han usado, mezclas de grafito con ferrosilicio y mezclas de ferroaleaciones [4]. Los inoculantes a base de ferrosilicio, contienen entre 45-50% a 60-75% de silicio, y actúan como transportadores de elementos que propician los sitios de inoculación, tales como: bario, calcio, circonio, manganeso, titanio, estroncio, cerio, aluminio, silicio y elementos de tierras raras tales como el lantano y el cerio [48]. Cada uno de estos elementos juega un papel importante en la nucleación del grafito. Según las investigaciones de Riposan et al, elementos como Al, Zr, Ti, Mn, Si, que son fuertes desoxidantes, forman óxidos, los cuales se convierten en núcleos, para la nucleación de compuestos de (Mn,X)S, (donde X=Fe, Al, O, Si, Ca, Ba, Sr, Ti, elementos de tierras raras, etc.); estos sitios de nucleación, son los más factibles para que se propicie la nucleación del grafito de los hierros grises, la figura 2.14, muestra el modelo propuesto por dichos autores [23, 25, 49-56].

1. Núcleo (Óxidos de Al·XO)

2. Capa (Compuestos Mn,X)S

3. Grafito

Figura 2.14. Modelo de las tres etapas de nucleación del grafito laminar en los hierros grises, según Riposan et al [23, 49, 52, 56]. En la tabla 2.5, se presentan los elementos inoculantes más comunes y sus efectos.

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Tabla 2.5. Efectos de elementos contenidos en los agentes inoculantes [4, 48, 51] Elemento Efectos Aluminio Bario

Calcio

Circonio

Estroncio

Bajo potencial de inoculación de grafito; fuerte desoxidante. Fuerte promotor de grafito; hasta 3% su uso es benéfico; tiene una buena resistencia al fading. Mediano potencial de inoculación, es adicionado junto con otros elementos inoculantes, hasta 3%. Junto con el bario, es muy efectivo para hierros grises de bajo contenido de azufre (0.030.05%). Mediano potencial de inoculación; disminuye considerablemente la tendencia al chill y controla la morfología del grafito en hierros de altos CE; fuerte desoxidante. Alto potencial de inoculación, especialmente para hierros grises de medianos y altos contenidos de azufre; controla la tendencia al chill particularmente en secciones delgadas; tiene una buena resistencia al fading. Es adicionadoa hasta el 1%.

En los últimos años, se han venido reemplazando los inoculantes a base de ferrosilicio, por el carburo de silicio metalúrgico, SiC. Su primera implementación fue como material de carga tanto en hornos eléctricos [57], como de cubilote [5761], para el ajuste de composición química, en cuanto a carbono y principalmente a silicio se refiere. Este contiene 70% de silicio y 30% de carbono aproximadamente [33]. Según su modo de producción, puede contener entre 0.1% a 2% de impurezas, correspondientes a Fe y Al [62] y trazas de SiO2, Ca, S y otros elementos [63]. Pero se ha encontrado en estos usos, que el SiC genera un “efecto pre-inoculador” en el metal fundido [33, 64-66]; esto es ventajoso, ante la transición que se ha venido dando del metal “sintéctico”, obtenido a partir de chatarra de acero, el cual provee muy pocos núcleos, en comparación al arrabio, el cual preinocula el metal fundido [67]. Este efecto preinoculador del SiC, es más perduradero que el del FeSi, ya que el SiC permanece por más tiempo en el metal fundido, debido a su alta estabilidad química, ya que no se disuelve inmediatamente cuando entra en contacto con el metal fundido y comienza a descomponerse entre los 1300 a 1350 °C (este rango de temperatura de descomposición se refiere cuando está en presencia de elementos de transición como el hierro), a diferencia del FeSi que se disuelve a 1200ºC [67].

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Además el SiC, se disuelve endotérmicamente a cinéticas de disolución más bajas que las del ferrosilicio, el cual se disuelve exotérmicamente [67]. Si bien, aún no es claro el mecanismo de inoculación del SiC, este es diferente al del ferrosilicio [66]. Se ha afirmado, según las investigaciones de Beneck et al, que la generación de núcleos se inicia, cuando el SiC comienza a disolverse en el metal fundido; alrededor de las partículas de SiC en el metal fundido, se generan clusters de grafito, como un resultado de estas regiones sobresaturadas de carbono y de silicio en el metal. Estos clusters de grafito, los cuales son termodinámicamente metaestables durante un cierto período de tiempo, son los que definen el efecto preinoculador del SiC y promueven la nucleación eutéctica y a su vez la formación de grafito [33, 66, 67]. El efecto inoculador del SiC es más pronunciado, cuando los granulos de SiC, poseen una capa de SiO2, generada por el contacto de atmósferas oxidantes (aire, oxígeno y vapor de agua, a temperaturas entre 900 a 1600 ºC) [68], dicha capa mantiene las partículas de SiC, por más tiempo dentro del baño fundido, ya que su velocidad de disolución se hace menor [67]. Por ende, se ha venido estudiando el SiC metalúrgico, como agente pre-inoculante en los hierros grises [33, 66, 67] nodulares [65, 69-71] y en aceros [72]. En los hierros grises, el SiC ofrece ventajas superiores sobre los inoculantes base ferrosilicio, tales como: -Disminuye el fading [73]. -Mejora la microestructura del grafito laminar [33, 66, 67, 74]. -Aumenta la maquinabilidad [33, 75]. -Sube la temperatura de líquidus y la eutéctica [33, 66]. -Reduce el sobreenfriamiento e incrementa la cantidad de celdas eutécticas [33, 66]. -Disminuye la tendencia al chill [33, 66]. -Con menores porcentajes de adición de SiC, se promueve la grafitización y se obtiene la microestructura requerida [33, 66]. -Reduce el FeO y MnO de la escoria, incrementando el tiempo de vida del refractario [76, 77].

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2.2.5.3. Métodos de adición Inoculantes base ferrosilicio Estos son adicionados por varios procedimientos, el más comúnmente utilizado es el de inoculación en cuchara (Ladle inoculation), en donde el inoculante entra en contacto con el chorro del metal mientras que se va transfiriendo del horno de fusión a la cuchara. Las variaciones de este procedimiento se dan en función de la adición del inoculante al chorro [78], y pueden ser: - Adición del inoculante a granel mediante un dispensador incorporado a una tolva de provisión. (Gravity Feeding). - Inyección del inoculante a granel con aire comprimido (Air assited-injection). - Suministro del inoculante en hilo, mediante un tambor giratorio, (Wire Injection). Existen otros procedimientos que son conocidos como Post-inoculación (Mold inoculation), en el cual el inoculante no se adiciona a la cuchara, sino que entra en contacto con el metal después de ser vaciado de la cuchara, ya sea en el chorro del metal antes de entrar al molde (Inoculation in the pouring basin) o al interior de éste, en donde el inoculante es posicionado dentro de cámaras a lo largo de los canales del sistema de colada, (Inoculation in the sprue/runner), en estos métodos el inoculante se disuelve en el metal líquido que se encuentra dentro del molde [78-80].

Inoculante SiC Como se mencionó anteriormente, el SiC es adicionado junto con el material de carga, tanto en hornos eléctricos, como de cubilote, como agente preinoculador. Como agente inoculante, en las diferentes investigaciones mencionadas, sólo es adicionado en hornos de inducción dentro del horno. Las investigaciones acerca del estudio y evaluación de agentes inoculantes, han sido desarrolladas, en gran parte, a partir de metal fundido en hornos de inducción [23, 33, 35, 45-47, 49, 64, 66, 67, 74, 81-100]; o si el metal ha sido obtenido en horno de cubilote, este de igual manera ha sido sostenido en horno de inducción [101]. Cabe aclarar, que dentro de la literatura, no se reporta ninguna investigación sistemática de inoculación, utilizando SiC como agente inoculante, tanto en chuchara, como en molde para hierros fundidos obtenidos a partir de hornos de cubilote [102].

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2.2.5.4 Evaluación de los agentes inoculantes Se pueden emplear varios métodos en conjunto para evaluar la efectividad de un agente inoculante.

Ensayo de chill Como la reducción del chill y la obtención de piezas sanas, es el objetivo principal del uso de agentes inoculantes, se vacían muestras en forma de cuñas o cilíndricas, según el CE, para determinar el nivel de sanidad. Este procedimiento es determinado por la norma ASTM A367 [103]. El tamaño de la probeta es definido de acuerdo al mínimo espesor de pared a controlar.

Evaluación microestructural Es la caracterización de la distribución y tamaño de las láminas de grafito, de muestras metalográficas sin atacar, y la determinación de las diferentes fases en la matriz, que son reveladas después del ataque metalográfico. Los resultados esperados ante una buena inoculación, son la presencia de grafito tipo A, con láminas cortas y la ausencia de carburos, junto con el tipo de matriz requerido, (ya sea ferrita, perlita, o la combinación de ambas).

Curvas de enfriamiento El registro de la temperatura a través del tiempo en que solidifica la aleación, permite determinar mediante el cambio apreciable en estas curvas, la aparición de las diferentes fases; es de especial intéres en los hierros grises, lo relacionado a la aparición de las fases eutécticas. Como un indicador de efectividad, se cuantifica la cantidad relativa de sobreenfriamiento.

Evaluación de las propiedades mecánicas requeridas Finalmente, se evalúan las propiedades mecánicas de acuerdo a la aplicación que se requiera. Se debe tener en cuenta, que la adición de agentes inoculantes, incrementan las propiedades mecánicas en los hierros grises, especialmente la resistencia tensil.

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2.2.6. Carácterísticas metalúrgicas de hierros fundidos en hornos de cubilote Debido a las condiciones del proceso de fusión en el horno de cubilote, el metal fundido adquiere una calidad metalúrgica mayor, que el obtenido a partir de hornos eléctricos, los cuales tienen una alta tendencia al chill [4], debido a que el metal de cubilote, posee intrínsecamente un mayor potencial de inoculación de grafito. Aún si el metal fundido, es obtenido a partir de cubilote, si éste es sostenido en horno eléctrico, el metal presenta una reducción de su potencial de nucleación de grafitización. El incremento del potencial de nucleación de grafito del metal de cubilote, se debe a la sobresaturación de carbono en el hierro y al enriquecimiento de azufre, que se produce cuando las gotas de metal fundido entran en contacto con el coque (entre la zona de fusión y la piquera de metal); si bien, existe una homegenización del metal al interior del horno, siempre queda cierta segregación de carbono, que favorece la nucleación y el crecimiento del grafito [104, 105]. Cuando el SiC es adicionado al horno de cubilote, este se disuelve en el fondo del horno en un ambiente reductor, en donde la capa de SiO2 del SiC, es disuelta rápidamente; sólo unos minutos después, el metal fundido sale del horno y es por esto que los sitios de nucleación de grafito permanecen [105].

2.2.7. Propiedades mecánicas de los hierros grises: Resistencia tensil y dureza El principal objetivo del uso de agentes inoculantes, es el de evitar la formación de carburos eutécticos (chill), lo que permite tener piezas fundidas menos endurecidas y más maquinables. Pero adicionalmente, mediante la modificación de la distribución del grafito, se logra un incremento en las propiedades mecánicas, especialmente en la resistencia tensil. Pero estas propiedades, tales como la dureza y la resistencia tensil, están determinadas por otros factores del proceso, tales como: la composición química del metal fundido, (especialmente el carbono equivalente) y la velocidad de enfriamiento, la cual está determinada, por el espesor de las piezas o por el tipo de molde.

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Por ende, a continuación se presenta de manera breve, la influencia de estos factores en dichas propiedades, correspondientes a las evaluadas en este estudio.

2.2.7.1. Resistencia última a la tracción (UTS) y dureza La UTS es determinada en parte por las características del grafito, tales como el tipo, el tamaño y la cantidad. Pero existen otros factores microestructurales que influyen mayormente sobre la UTS, y es la dureza de la matriz, la cual depende de características microestructurales, tales como el tipo de matriz (ferrítica o perlitíca) y las fases presentes y como pueden estar distribuidas en ella. Una matriz perlítica presenta altas durezas y por ende resistencias a la tracción más altas que una matriz ferrítica, pero ductilidades más bajas [7, 35]; otras fases presentes distribuidas dentro de la matriz, tales como la esteadita [3, 17, 18] y el FeS [20], pueden disminuir las propiedades mecánicas. Los carburos eutécticos de hierro (chill), afectan considerablemente la maquinabilidad de las piezas [3, 106, 107]. Por lo tanto se puede estimar y relacionar la UTS, mediante los valores de dureza del material. Tal como se muestra en la figura 2.15, se puede observar que a medida que la dureza aumenta, la resistencia tensil se incrementa. Este comportamiento, ha sido determinado en muchas investigaciones [10, 15, 35, 99, 108].

Figura 2.15. Relación entre la resistencia a la tracción y la dureza para una serie de hierros grises sin inocular e inoculados; correspondiente a una sola empresa de fundición [10].

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2.2.7.2. Resistencia última a la tracción (UTS) y CE Como se mencionó anteriormente, si bien la UTS esta determinada principalmente, por la dureza, las características del grafito, principalmente el tamaño de las láminas, influye sobre esta propiedad mecánica. Las láminas de grafito cortas, características de hierros con bajos CE y de velocidades de enfriamiento mayores, están asociadas a los hierros que presentan el mejor comportamiento tensil. El comportamiento de la UTS, a medida que la lámina de grafito crece, se observa en la figura 2.16 [7].

Figura 2.16. Efecto de la longitud de las láminas de grafito en la resistencia a la tracción [7]. Los altos CE y las bajas velocidades de enfriamiento, favorecen el crecimiento de las láminas de grafito, y a su vez el engrosamiento de la perlita. Las láminas largas, hacen que la continuidad de la deformación de la matriz ante un esfuerzo mecánico, se vea afectada, cuyo resultado es la disminución de la UTS. Tal como se observa en en la figura 2.17, independiente de la condición de inoculación (metal inoculado y sin inocular), a medida que aumenta el CE, la UTS disminuye [15, 35, 56].

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Figura 2.17. Influencia de la inoculación en la resistencia a la tracción de hierros grises con varios CE (barras de diámetro de 30 mm); el inoculante grafitizante, promueve el grafito y el estabilizante, estabiliza la perlita [9, 15, 109]. Ya que si bien, los agentes inoculantes, promueven la presencia de grafito y pueden modificar su distribución y tamaño, este último está determinado, principalmente por la velocidad de enfriamiento [15, 109]. Los valores más altos de UTS, son encontrados en matrices perlíticas, con un espaciamiento interlaminar más pequeño, el cual es favorecido a medida que la velocidad de enfriamiento aumenta [3, 7, 35]. En la figuras 2.18a y 2.18b, se presenta la influencia del espesor en la UTS y la dureza, respectivamente.

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(a)

(b)

Figura 2.18. Influencia del aumento del espesor en a) la UTS y en b) la Dureza, en hierros grises de clases 25B – 50B. (Dichas propiedades fueron evaluadas en probetas fundidas de tamaño según el espécimen B de la norma A48, el cual permite evaluar espesores de pared de 5 a 14 mm [15].

2.3. REFERENCIAS [1] [2]

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2-40

3. INFORMACIÓN EXPERIMENTAL

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3.1. CONDICIONES GENERALES DE OPERACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE LAS PROBETAS FUNDIDAS El hierro gris utilizado para este estudio fue obtenido en un horno de cubilote de soplo frío, el cual posee cuatro toberas en una fila y un diámetro interno de 0,80 m. El refractario es de carácter ácido. En las figuras 3.1a-b, puede observarse una fotografía de este horno.

Toberas

Piquera de metal

Detalle

Piquera de escoria (a)

Cuchara (b)

Figura 3.1. Vista del horno de cubilote: a) toberas y piqueras de metal y escoria; b) detalle de las piqueras de metal y escoria, junto con la cuchara a recibir el metal fundido. Para todos los experimentos, el metal de carga consistió en 90% de hierro gris (65% de chatarra, 25% de retorno) y 10% de acero. En la figura 3.2, se presenta un esquema del procedimiento global de la obtención de las probetas fundidas.

3-2

Material de carga

DESPUÉS DE LA ADICIÓN DEL INOCULANTE

4. Agitación vigorosa del metal inoculado

2. ADICIÓN DEL INOCULANTE

5. Vaciado del metal a los diferentes moldes de arena en verde (Dato temperatura, Tv)

Metal fundido

Probetas de diferente Módulo de Solidificación

3. Muestra de metal inoculado para composición química (DI)

Probetas de tracción

Cuñas Lingoteras (para el material residual)

Horno de cubilote

1. Muestra de metal antes de inocular para composición química (AI). (Dato temperatura, Th)

6. Adquisición de datos (Temperatura vs tiempo)

Figura 3.2. Esquema del procedimiento global de la obtención de las probetas fundidas con metal inoculado.

3. Información experimental 3-3

Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

El metal fue inoculado en el chorro sangrado por la piquera de metal a medida que se iba llenando la cuchara (figura 3.3a), cuya capacidad es de 40 kg, aproximadamente; esto con el fin de aumentar la posibilidad de que el agente inoculante estuviese en contacto con todo el metal vertido y reducir la flotación del mismo [1]. Posterior a la inoculación, el metal fue agitado vigorosamente, con el fin de lograr una distribución más homogénea del inoculante (figura 3.3b). El metal fundido, fue vaciado en moldes de arena en verde.

(a) (b) Figura 3.3. a) Adición del agente inoculante al metal que sale de la piquera de metal a medida que va llenando la cuchara. b) Agitación vigorosa después de inocular.

Las probetas fueron vaciadas en el mismo intervalo de temperatura (1328-1400 ºC). El tiempo de desmoldeo en todos los casos fue de 40 minutos, aproximadamente. Con el fin de evaluar el comportamiento del carburo de silicio como agente inoculante y comparar dicho comportamiento con el de agentes inoculantes comerciales, se utilizaron cuatro condiciones de inoculación durante la realización de cada colada experimental: a) metal sin inocular, b) metal inoculado usando inoculante comercial base FeSi1, c) metal inoculado con inoculante comercial base FeSi2 y d) metal inoculado con carburo de silicio metalúrgico (SiC).

3-4

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

El tamaño de partícula y el porcentaje de inoculación (cantidad de inoculante adicionado en relación a la cantidad de metal fundido en cuchara) usados para la inoculación con los inoculantes comerciales fueron los recomendados en las fichas técnicas suministradas por el proveedor. Para cada colada en donde se varía el estado de inoculación del carburo de silicio, (tamaño de partícula y cantidad de inoculante), se replicaron las probetas obtenidas para las otras condiciones de inoculación (Sin inocular, FeSi1 y FeSi2), con el fin de que, si existían variaciones considerables de composición química y temperatura del metal fundido entre una colada y otra, los resultados obtenidos pudiesen relacionarse, a diferencia si se hubiesen obtenido de manera independiente.

3.2. CONDICIONES EXPERIMENTALES OBTENIDAS EN LAS COLADAS En general, para todas las coladas se obtuvieron la composición química y la temperatura del metal fundido, en las etapas más importantes del procedimiento de inoculación, tal como se mostró de manera esquemática en la figura 3.2.

3.2.1. Composición química del metal fundido Para todas las condiciones de inoculación en cada colada, se obtuvieron muestras para realizar un análisis de composición química del metal fundido. Se tomaron muestras antes de la inoculación (AI) y después de realizado este proceso (DI). El metal fundido de las muestras para composición química, fue vaciado en lingoteras de cobre y luego sumergido en agua, para asegurar un enfriamiento rápido y así evitar la precipitación de grafito libre, el cual puede falsear el ensayo de composición química de Espectrometría de Emisión Óptica (OES), tal como se indica en la norma ASTM E1806 [2]. El ensayo de espectrometría de emisión óptica, fue realizado bajo norma ASTM E1999 [3], en un equipo marca SHIMADZU de referencia OES 5500, y el carbono fue analizado adicionalmente mediante un ensayo Gasométrico en un equipo marca LECO de referencia No. 253 bajo norma E1019 [4].

3-5

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3.2.2. Temperatura del metal fundido La temperatura del metal fundido fue tomada en tres puntos del recorrido, como se mostró de manera esquemática en la figura 3.2, así: Temperatura del metal en la piquera del horno (antes de inocular) TH; Temperatura del metal inoculado antes de vaciar el metal en los moldes de arena Tv y Temperatura del metal antes de vaciar en la probeta para la medición de la velocidad de enfriamiento. Todos los registros de temperatura, se realizaron con un Pirómetro Infrarrojo marca OMEGA de referencia OS524E OMEGASCOPE, se seleccionó un valor de emisividad de 38, el cual es sugerido para el hierro fundido. El ajuste del pirómetro infrarrojo se realizó por comparación de datos de temperatura registrados previamente, utilizando un pirómetro de inmersión marca L&N Metallurgical Products Co, de referencia Digilab III, el cual toma la temperatura del metal fundido, mediante la inmersión de una lanza al metal contenido en la cuchara. La selección del pirómetro infrarrojo, se realizó con base en las ventajas operativas ofrecidas ante el pirómetro de inmersión, tales como: rapidez en la toma de los datos y posibilidad de lectura de la temperatura del metal en piquera en tiempo real. Para establecer la influencia del agente inoculante sobre la velocidad de solidificación, se registró la temperatura en función del tiempo durante la solidificación del metal fundido. Para ello se diseñó un sistema de adquisición de datos, compuesto por una tarjeta electrónica, un puerto USB de salida de datos y un conector macho de entrada para termocupla tipo K. La configuración de la tarjeta permite adquirir datos de temperatura a través del tiempo, con un valor mínimo de adquisición de 20 milisegundos y dentro de un intervalo de medición de 1300 a 950ºC [5].

3.3. AGENTES INOCULANTES Los agentes inoculantes correspondieron a dos inoculantes comerciales base ferrosilicio (FeSi1 y FeSi2) y al SiC, que es el agente inoculante de estudio. La cantidad y el tamaño de partícula de los inoculantes comerciales base ferrosilicio, corresponden a los sugeridos por las fichas técnicas. No obstante, para

3-6

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

tener un mayor control de todos los agentes inoculantes, fueron caracterizados en composición química y tamaño de partícula.

3.3.1. Composición química Se determinó mediante un análisis de Fluorescencia de rayos X (FRX), en un equipo marca Thermo, Referencia ARL Optimix. Los resultados de estos análisis pueden observarse en la tabla 3.1. Tabla 3.1. Composición química de los inoculantes obtenida mediante Fluorescencia de rayos X, FRX. (Porcentaje en peso). Elemento (% en peso) Si

Fe

C

Ca

Ba

Al

Mn

Zr

Cr

Ti

Sr

Cu

FeSi1 78,760 16,280

-

1,560 1,310 0,854 0,468 0,551 0,081 0,052 0,042 0,038

FeSi2 80,230 17,040

-

0,912 0,738 0,485 0,219 0,197 0,010 0,070 0,015 0,031

SiC

69,37

-

29,38 0,248

-

0,150 0,029 0,027 0,008 0,020 0,001 0,023

3.3.2. Tamaño de partícula y porcentaje de inoculación Los criterios de selección del tamaño de partícula para los agentes inoculantes usados en este estudio se definen a continuación: - Para los inoculantes comerciales base ferrosilicio, el tamaño utilizado corresponde a los valores sugeridos en las fichas técnicas suministradas por el proveedor; no obstante, para tener mayor control sobre el tamaño de partícula, se separó el intervalo de tamaño sugerido, mediante el paso de los inoculantes por varios tamices, según el procedimiento establecido por las normas acordes para este tipo de material [6-8]. - El carburo de silicio metalúrgico (SiC), fue cuarteado para obtener una muestra representativa [8]. Como el SiC es el agente inoculante de estudio, se evaluaron dos tamaños de partícula diferentes, ambos fueron seleccionados mediante el paso del inoculante por varios tamices, bajo el mismo procedimiento de los agentes inoculantes comerciales base ferrosilicio. El primero se encuentra entre los

3-7

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

tamaños de los agentes comerciales (Tp1) y el segundo, que es de menor tamaño al primero, fue previamente triturado para reducir su tamaño (Tp2). En la tabla 3.2, se presenta los valores del intervalo de tamaño de partícula y el porcentaje de inoculación de los inoculantes base ferrosilicio y carburo de silicio, junto con las designaciones usadas para relacionar las diferentes condiciones de inoculación (cuyos nombres están en negrita). Tabla 3.2. Designaciones usadas para relacionar las diferentes condiciones de inoculación junto con sus estados de inoculación (intervalo de tamaño de partícula, Tp y porcentaje de inoculación, %Inoc). Designación

Colado en:

SI FeSi1 FeSi2 SiC-1 SiC-2 SiC-3

Coladas 1-3 Coladas 1-3

Agente inoculante

Sin inoculante FeSi IM75B(a) FeSi CaBearing(a)

Intervalo de tamaño de partícula, Tp [mm]

Porcentaje de inoculación, %Inoc [%]

2,6 – 3,6 2,6 – 3,6 Tp-1 (c) Tp-2 (d) Tp-2 (d)

0,24 0,24 %Inoc-1 (c) %Inoc-1 (c) %Inoc-2 (d)

Colada 1 Metallurgical SiC Colada 2 Carbolon MA(b) Colada 3 Suministrado por: (a) Italmagnésio S.A, (Várzea da Palma, Minas Gerais, Brasil) a través de Insumos Metalúrgicos Ltda. (Medellín, Antioquia, Colombia) [10]; (b) Washington Mills Hennepin Inc, (Hennepin, Illinois, USA), a través de S. Katz Associates Inc. (West Bloomfield, Michigan, USA) [11]. La condición: (c) 1 corresponde a los mismos valores de Tp y %Inoc usados para los FeSi comerciales y (d) 2 corresponde a valores de Tp y %Inoc menores que los que se tienen en la condición 1.

Observación: Los valores de tamaño de partícula y porcentaje de inoculación del carburo de silicio, no son presentados en la tabla 3.2, ya que debido a cláusulas de confidencialidad, no se pueden revelar sus valores exactos. De acuerdo a lo contemplado en el “Estatuto sobre propiedad intelectual de la Universidad de Antioquia”, se prohíbe su divulgación, debido a que los resultados de esta investigación, pueden ser parte de una unidad de negocios o de la creación de una SPIN OFF universitaria, en el caso de un posible interés del sector productivo [9].

3-8

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3.4. SELECCIÓN, DISEÑO PROBETAS FUNDIDAS

Y

ENSAYOS

DE

LAS

En esta sección, se presenta las probetas fundidas que se obtuvieron para evaluar las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises, con el fin de determinar la influencia de cada condición de inoculación. Cada tipo de probeta fue seleccionada dentro de cada una de las normas establecidas, o diseñada para aquellas que no están normalizadas. Para las probetas que se encuentran bajo norma, el criterio de selección fue el carbono equivalente CE, el cual según los valores obtenidos en muestreos experimentales previos, está en un rango entre 4.0 a 4.3. Además, todas las probetas fueron seleccionadas y diseñadas, bajo un mismo criterio, correspondiente a evaluar los menores espesores de pared a controlar. Los ensayos realizados para cada tipo de probetas fueron: - Valores de temperatura críticos en la solidificación de las fases eutécticas a partir de las curvas de enfriamiento obtenidas para el análisis térmico. -Nivel de sanidad de las piezas fundidas en tres espesores de pared a controlar, mediante la evaluación de tres especímenes de cuñas. -Evaluación microestructural del metal colado: características del grafito (Tipo y tamaño del grafito) y de la matriz (cantidad aproximada de perlita, ferrita, esteadita y carburos). -Propiedades mecánicas del material, tales como la resistencia última a la tracción (UTS, por sus siglas en inglés) y la dureza (Brinell). Los resultados obtenidos a partir de estos ensayos son presentados en el capítulo siguiente.

3.4.1. Probeta fundida para la obtención de las curvas de enfriamiento para el análisis térmico Como se mencionó en la sección 3.2.2, se vació una probeta para obtener las curvas de enfriamiento (temperatura vs tiempo), las cuales permiten realizar el análisis térmico del metal colado. El tamaño de esta probeta corresponde al mismo de la VE1 del sistema de velocidad de enfriamiento, (figura 3.10). Además de las

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3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

curvas de enfriamiento, de esta probeta se obtuvo la dureza y la evaluación microestructural de todas las condiciones de inoculación evaluadas.

3.4.1.1. Curvas de enfriamiento para el análisis térmico Las curvas de enfriamiento obtenidas a partir de esta probeta, fueron suavizadas bajo los mismos parámetros, mediante el filtro de transformada de Fourier FFT, con el fin de minimizar el ruido de la señal; este método permite obtener valores más ajustados en curvas obtenidas a partir del enfriamiento de metales fundidos [12-15].

3.4.1.2. Ensayos de dureza El tipo de dureza realizada en estas probetas corresponde a la dureza Brinell. Los ensayos fueron realizados bajo la norma ASTM E10 [16]. En cada muestra se realizaron 5 mediciones. La carga empleada fue de 3000 kgf, con una bola de acero de 10 mm y el tiempo de sostenimiento fue de 10s.

3.4.1.3. Evaluación microestructural De las probetas vaciadas para la obtención de la curva de enfriamiento de todas las condiciones de inoculación estudiadas, su microestructura fue caracterizada mediante microscopía óptica. Para el análisis metalográfico, se tomó una muestra de la zona central de cada probeta. La distribución y el tamaño de grafito, fueron determinados según la clasificación de la norma ASTM A247 [17] y mediante la comparación de micrografías estandarizadas por la ASTM [18]. El reporte es dado según el propuesto por la norma, donde cada distribución y tamaño se relaciona porcentualmente en orden descendente. Debido a que la matriz predominante, fue una estructura perlítica, se determinaron de manera aproximada, las fases que tienen un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas, tales como ferrita, carburos de hierro y esteadita. La cantidad de cada fase dada en porcentaje, fue estimada mediante el uso de una reglilla a 100X, posicionada en el lente del microscopio óptico.

3-10

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3.4.2. Probetas fundidas en forma de cuñas para determinar la profundidad del chill Con el fin de controlar el nivel de sanidad en piezas fundidas con varios espesores de pared, se obtuvieron probetas en forma de cuñas, las cuales se escogieron a partir de la norma ASTM A367 [19]. Esta geometría está asociada a hierros con contenidos de silicio cercanos a 2.5%, junto con contenidos de carbono inferiores a 3.5% [20]. Se seleccionaron las probetas W1, W2 y W3, las cuales relacionan los menores espesores de pared de 5,1 mm, 10,2 mm y 19,1 mm, respectivamente. Este nivel de sanidad está relacionado con la no aparición de “chill” en los espesores de pared determinados. Las dimensiones de cada una de ellas se muestran en la figura 3.4.

Figura 3.4. Dimensiones de las cuñas W1, W2 y W3. Norma ASTM A367 [19].

3-11

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3.4.2.1. Ensayo para determinar la cantidad de “chill” El ensayo consiste en fracturar la cuña y medir el ancho de la zona que presenta “chill”. En la figura 3.5, se muestra la imagen de una cuña fracturada, en donde se observa, la región con “chill” (plateada, a la derecha de W) asociada a la formación de fundición blanca, (formación de carburos de hierro) y la región asociada a la solidificación gris (a la izquierda de W).

Figura 3.5. Superficie interior en la mitad de una cuña fracturada, en donde se observan las regiones de solidificación blanca (a la derecha de W) y gris (a la izquierda de W). Según la norma ASTM A367, un resultado satisfactorio, se obtiene cuando W no es superior a B/2; esta condición indica que la estructura de la cuña, no tiene más del 50% de chill [19]. Los resultados son presentados en función del porcentaje de sanidad, bajo la siguiente expresión:  W  %Sanidad =  1 X 100%  B 

(3.1)

El porcentaje de sanidad, calculado de acuerdo a la fórmula 3.1 es aceptable, siempre y cuando sea superior al 50%.

3.4.3. Probetas fundidas para el ensayo de tracción Para determinar la resistencia última de tracción, se obtuvieron probetas de forma cilíndrica, a partir de las cuales se obtienen las probetas calibradas una vez se hayan mecanizado las mismas. El tamaño de las probetas fundidas, se seleccionó a partir de la Norma ASTM A48 [21], correspondiente al espécimen B de dicha norma. La geometría y las

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3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

dimensiones de todo el modelo, que incluye las probetas y su sistema de alimentación sugeridas en la norma, se muestran en la figura 3.6.

Figura 3.6. Dimensiones sugeridas por la norma ASTM A48, de probetas fundidas para el ensayo de tracción [21]. D, Diámetro [mm] Nominal Mínimo Máximo 30,5 29 33,5

L, Longitud [mm] Mínima Máxima P 150 230 50

Unión [mm] N M 8 1,5N

Antes de realizar el modelo para este sistema, se verificaron las dimensiones de las probetas, con el fin de asegurar el llenado y obtener probetas sanas, libres de defectos asociadas a la contracción por solidificación (rechupes), mediante los software de simulación de llenado FlowCast® y de solidificación SolidCast®, respectivamente [22]. Los parámetros de simulación, correspondieron a condiciones similares de operación. Después de realizar la simulación, se encontró que las dimensiones de la unión, no eran las adecuadas, ya que éstas solidificaban primero que el sistema de alimentación, tal como se observa en la figura 3.7a, en donde las regiones de color rojo, corresponden a regiones con rechupes. Por lo tanto, se rediseñaron las dimensiones de la unión, según los valores sugeridos en la literatura [23]. El sistema con estas nuevas dimensiones, se simuló de nuevo, el resultado corresponde a probetas sanas con un 2% de incertidumbre, como puede verse en la figura 3.7b.

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3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

(a) (b) Figura 3.7. Imágenes obtenidas después de la simulación (a) correspondiente a las dimensiones sugeridas por la norma ASTM A48. b) correspondiente a la modificación de las dimensiones de la unión. Las dimensiones finales de todo el sistema del par de probetas de tracción, se muestran en la figura 3.8.

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3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Figura 3.8. Dimensiones finales de todo el sistema del par de probetas de tracción después del ajuste en las dimensiones de la unión.

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3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

3.4.3.1. Ensayos de tracción Para llevar a cabo el ensayo que permite determinar la resistencia última a la tracción, las probetas cilíndricas del sistema de tracción fueron mecanizadas según las dimensiones de la figura 3.9.

Dimensiones [mm] G 13 D 13±0.25 Rad 25 A 32 L 95 C 20 E 6 F 16±0.4 B Opcional

Figura 3.9. Dimensiones de una probeta mecanizada para el ensayo de tracción bajo la norma ASTM A48, correspondiente al espécimen A [21]. Esta probeta correspondiente al espécimen A de la norma ASTM A48, permite evaluar espesores de pared entre 5 a 14 mm [21]. El ensayo de tracción, se llevó a cabo, bajo las consideraciones dadas en las normas ASTM E08 [24] y A48 [21], en el cual se obtuvo la resistencia última a la tracción (UTS).

3.4.4. Conjunto de probetas fundidas para determinar la velocidad de enfriamiento en función del módulo de solidificación Para evaluar el efecto del SiC usado como agente inoculante sobre la microestructura se tomaron muestras del sistema de velocidad de enfriamiento para cada una de las coladas y con el fin de realizar una comparación, se tomaron muestras del sistema de velocidad de enfriamiento del metal sin inocular de la última colada. Estas muestras fueron evaluadas microestructuralmente mediante análisis metalográfico. La descripción de este análisis fue presentado en el ítem 3.4.1.3 junto con el de las probetas para la obtención de las curvas de enfriamiento.

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3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Este sistema está comprendido por cinco probetas cilíndricas de diferente tamaño dentro del mismo molde. Este sistema fue diseñado bajo la consideración del aumento del módulo de solidificación, el cual corresponde a la siguiente expresión:  V  MS =C f    AC 

(3.1)

En donde: Cf= es un factor de forma, que relaciona la disipación de calor de acuerdo a la geometría. V= Volumen de la geometría. Ac= Suma de todas las áreas de disipación de calor de la geometría. El factor de forma, es calculado a partir de la relación, L/e, donde L es la longitud de la probeta y e el espesor. Por lo tanto, el módulo de solidificación de una probeta cilíndrica, con una altura H y un diámetro D, corresponde a:  D 2H MS =C f  2  2 D + 2DH

(

)

  

(3.2)

La variación del módulo de solidificación en el sistema de probetas, se realizó con base en el incremento del diámetro de la probeta y la altura se mantuvo constante, ya que la variación del diámetro es más considerable en la modificación del Ms, tal como se observa en la ecuación 3.2. La designación de cada probeta, es de VE1 a VE5, designación que varía de mayor a menor tamaño. En la tabla 3.3, se presentan los valores requeridos para el cálculo del módulo de solidificación. Tabla 3.3. Valores requeridos para determinar el Módulo de solidificación de las probetas cilíndricas. Designación

H (mm)

D (mm)

Mg (mm)

L/e (-)

Factor de forma* (-)

VE1 VE2 VE3 VE4 VE5

60 60 60 60 60

10 20 30 45 60

10,00 8,18 6,00 4,29 2,31

1,00 1,33 2,00 3,00 6,00

0,75 0,75 0,75 0,75 0,8

3-17

Ms (mm)

7,5 6,1 4,5 3,2 1,8

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

En la figura 3.10, se muestran las dimensiones de cada una de las probetas.

Figura 3.10. Dimensiones de las probetas del sistema de velocidad de enfriamiento Adicionalmente, para asegurar que el comienzo de la solidificación para todas las probetas fuese el mismo, el diseño del sistema de colada realizado, permitió llenar las probetas al mismo tiempo y en el menor tiempo posible. El llenado y la solidificación del sistema fue simulado mediante los softwares FlowCast® y SolidCast®, respectivamente [22]. Los parámetros de simulación, correspondieron a condiciones similares de operación. En la figura 3.11, se muestra una imagen de captura de la simulación del llenado, correspondiente a 100% lleno.

3-18

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Figura 3.11. Imagen de captura de la simulación del llenado.

3.5. CONDICIONES PARTICULARES DE CADA COLADA Se realizaron tres coladas, en las cuales las condiciones de operación fueron similares, como se mencionó al comienzo de este capítulo. Para cada colada, el metal fue colado en cuatro condiciones de inoculación: Sin inocular, FeSi1, FeSi2 y SiC. En cada colada, se varió solamente la condición de inoculación del SiC, en donde se obtuvo en cada una de las coladas las condiciones SiC-1, SiC-2 y SiC-3, respectivamente. En cada colada, para la primera condición de inoculación, “Sin inocular”, la fila de moldes estaba comprendida por: un molde de probetas de tracción, un molde de cuñas y un molde de probeta para la obtención de la curva de enfriamiento. Mientras que, para las condiciones de inoculación restantes, cada fila de moldes estaba comprendida por dos moldes de probetas de tracción, dos moldes de cuñas y un molde de probeta para la obtención de la curva de enfriamiento. Adicionalmente, para cada una de las tres condiciones de inoculación del SiC, correspondientes cada una a cada colada, se vació el sistema de velocidad de enfriamiento; a modo de comparación, este fue obtenido también para la condición sin inocular en la última colada.

3-19

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

En la tabla 3.4, se muestra de manera esquemática, la disposición de las diferentes líneas de moldes en cada colada. Tabla 3.4. Esquema del arreglo de las diferentes líneas de moldes para cada una de las condiciones de inoculación. Condición de Inoculación Molde

Metal sin Inocular SI

Metal inoculado con: FeSi1

AI

FeSi2

DI

AI

SiC

DI

AI

DI

Composición química Cuñas Velocidad de Enfriamiento

*

Tracción Curvas de enfriamiento

AI: Antes de inocular. DI: Después de inocular. * A modo de comparación, se vació únicamente en la última colada (Col3).

3.6. REFERENCIAS [1]

[2]

P.A. Pérez-Espitia, A.M. Pérez-Ceballos, C.M. Silva-Velásquez, F.A. VásquezArroyave, R.E. Aristizábal-Sierra, J.M. Rojas-Arango, and H.D. MachadoGonzález, “Efecto de la inoculación en cuchara de hierros grises fundidos en horno de cubilote,” in Proc. 6º Encuentro Nacional de Materiales. Módulo metales. Soldadura y tratamientos térmicos, 2010, pp. Pages. ASTM, “E1806-09 - Standard Practice for Sampling Steel and Iron for Determination of Chemical Composition ” ASTM INTERNATIONAL, pp. 1-22, 2010.

3-20

3. Información experimental Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

[3]

[4]

[5]

ASTM, “E1999-99 (Reapproved 2004) - Standard Test Method for Analysis of Cast Iron Using Optical Emission Spectrometry,” ASTM INTERNATIONAL, pp. 1-6, 2010. ASTM, “E1019-08 - Standard Test Methods for Determination of Carbon, Sulfur, Nitrogen, and Oxygen in Steel, Iron, Nickel, and Cobalt Alloys by Various Combustion and Fusion Techniques,” ASTM INTERNATIONAL, 2010. J. Ríos, “Tarjeta electrónica de sistema de adquisición de datos,” Contacto:

[email protected] (300 www.syscontt.com, 2010. [6] [7]

[8] [9] [10]

[11] [12]

[13]

[14]

[15]

[16]

660

23

30) Proyectos

Syscontt.

ASTM, “E11-09 - Standard Specification for Woven Wire Test Sieve Cloth and Test Sieves,” ASTM INTERNATIONAL, pp. 1-9, 2010. ASTM, “A610-79 (Reapproved 2009) - Standard Test Methods for Sampling and Testing Ferroalloys for Determination of Size,” ASTM INTERNATIONAL, 2010. ASTM, “C702-98 (Reapproved 2003) - Standard Practice for Reducing Samples of Aggregate to Testing Size,” ASTM INTERNATIONAL, 2010. UdeA, “Estatuto sobre la propiedad intelectual. Resolución Rectoral 21231,” Universidad de Antioquia. , 5 de agosto de 2005. http://www.insumosmetalurgicos.com/metal/publico/empresa.php?id=3, “Insumos metalúrgicos (Medellín, Colombia): agentes inoculantes suministrados por Italmagnésio S.A, (Várzea da Palma, Minas Gerais, Brasil),” Página consultada el 4 de marzo de 2011. http://www.washingtonmills.com/products/silicon-carbide/metallurgical/, Página consultada el 4 de marzo de 2011. E. Fras, W. Kapturckiewicz, A. Burbielko, and H. López, “Numerical simulation and fourier thermal analysis of solidification kinetics in highcarbon Fe-C alloys,” Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 28, (no. 1), pp. 115-123, 1997. E.O. Cerqueira, R.J. Poppi, and L.T. Kubota, “Utilização de filtro de transfomada de fourier para a minimização de ruídos em sinais analíticos,” QUÍMICA NOVA,, vol. 23, (no. 5), 2000. D. Emadi, L.V. Whiting, S. Nafisi, and R. Ghomashchi, “Applications of thermal analysis in quality control of solidification processes,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 81, pp. 235-242, 2005. J.M. Arango-Rojas, “Análise térmica de ligas Al-Si com adição de inoculante,” in Departamento de Engenhaira Metalúrgica e de Materiais. Mestre e Engenhaira Metalúrgica; Dissertação de mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Orientador: Marcelo de Aquino Martorano, São Paulo, 2009, pp. 128. ASTM, “E10-10 - Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials,” ASTM International, pp. 1-32, 2010.

3-21

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[19] [20]

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3-22

4. RESULTADOS

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

En este capítulo se presentan los resultados obtenidos a partir de los ensayos realizados, que se presentaron en el capítulo anterior.

4.1. TEMPERATURAS DE OPERACIÓN DEL METAL FUNDIDO En la tabla 4.1 se presentan los valores obtenidos para la temperatura en la piquera del horno, así como la temperatura de vaciado del metal fundido en los moldes para la obtención de las muestras. Estos valores corresponden a las condiciones de inoculación utilizadas en cada una de las tres coladas. Tabla 4.1. Temperatura en la piquera del horno, TH y Temperatura de vaciado, TV, para cada unas de las condiciones de inoculación del metal fundido en las tres coladas. TH (ºC)

TV (ºC)

Colada/ Inoculante

Col1

Col2

Col3

Col1

Col2

Col3

SI

1465

1473

1480

1336

1365

1400

FeSi 1

1448

1468

1470

1360

1374

1350

FeSi 2

1449

1463

1420

1349

1360

1340

SiC

1450

1440

1454

1328

1330

1339

4.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL METAL FUNDIDO En la tabla 4.2, se presenta la composición química de las diferentes condiciones de inoculación del metal fundido, tanto para el metal sin inocular, como para el metal inoculado, de las tres coladas. Adicionalmente, se presentan los valores del CE, calculado mediante la ecuación 2.1. También se presenta, el balance del azufre con el manganeso, mediante el uso de dos expresiones: Mn Req y Mn/S, las cuales fueron calculadas mediante las ecuaciones 2.6 y 2.7, respectivamente.

4-2

Tabla 4.2. Composición química para cada una de las condiciones de inoculación del metal fundido, (% en peso). Elemento C Si Colada 1 SI 3,12 2,73 FeSi1 (AI) 3,14 2,77 FeSi1 (DI) 3,11 2,79 FeSi2 (AI) 3,14 2,77 FeSi2 (DI) 3,14 2,98 SiC-1 (AI) 3,09 2,76 SiC-1 (DI) 3,12 2,78 Elemento C Si Colada 2 SI 3,32 2,72 FeSi1 (AI) 3,39 2,82 FeSi1 (DI) 3,29 3,12 FeSi2 (AI) 3,30 2,26 FeSi2 (DI) 3,24 2,54 SiC-2 (AI) 3,21 2,58 SiC-2 (DI) 3,23 2,91 Elemento C Si Colada 3 SI 3,26 2,69 FeSi1 (AI) 3,30 2,45 FeSi1 (DI) 3,33 2,67 FeSi2 (AI) 3,26 2,86 FeSi2 (DI) 3,23 3,02 SiC-3 (AI) 3,22 2,78 SiC-3 (DI) 3,29 2,84 Calculado con base en: a. Eq

Mn

S

P

Al

Cr

Cu

Ni

Sn

Ti

V

CEa

Mn Reqb

Mn/Sc

1,00 0,97 0,98 1,06 1,05 0,92 0,84

0,17 0,18 0,20 0,16 0,20 0,18 0,16

0,10 0,10 0,10 0,12 0,12 0,12 0,12

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,16 0,17 0,17 0,15 0,16 0,16 0,16

0,34 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27

0,08 0,07 0,07 0,07 0,08 0,07 0,06

0,02 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02

0,01 0,10 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01

4,03 4,07 4,04 4,06 4,13 4,01 4,05

0,59 0,61 0,64 0,58 0,65 0,61 0,58

5,88 5,38 4,92 6,46 5,18 5,03 5,17

Mn

S

P

Al

Cr

Cu

Ni

Sn

Ti

V

CEa

Mn Reqb

Mn/Sc

0,70 1,15 1,20 0,94 0,96 0,84 0,76

0,16 0,17 0,15 0,17 0,14 0,17 0,16

0,27 0,20 0,22 0,20 0,20 0,24 0,22

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,12 0,17 0,17 0,14 0,14 0,11 0,11

0,19 0,18 0,17 0,29 0,24 0,22 0,20

0,07 0,12 0,15 0,15 0,14 0,09 0,09

0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01

0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01

0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

4,23 4,33 4,32 4,06 4,09 4,07 4,20

0,57 0,59 0,56 0,58 0,54 0,59 0,57

4,34 6,70 7,98 5,60 6,82 4,98 4,78

Mn

S

P

Al

Cr

Cu

Ni

Sn

Ti

V

CEa

Mn Reqb

Mn/Sc

0,80 0,99 1,09 1,05 0,94 0,86 0,89 2.1; b.

0,18 0,18 0,15 0,16 0,15 0,21 0,18 Eq 2.6;

0,60 0,61 0,56 0,56 0,56 0,66 0,61

4,47 5,48 7,12 6,80 6,19 4,10 4,94

0,09 0,00 0,10 0,01 0,10 0,01 0,10 0,00 0,10 0,00 0,09 0,01 0,10 0,01 c. Eq 2.7. AI:

0,23 0,15 0,16 0,17 0,16 0,15 0,15 Antes

4-3

0,32 0,16 0,23 0,07 0,22 0,07 0,23 0,08 0,23 0,08 0,21 0,08 0,23 0,08 de inocular;

0,02 0,00 0,02 0,00 0,02 0,00 0,02 0,00 0,02 0,00 0,02 0,00 0,03 0,00 DI: Después

0,02 4,15 0,01 4,12 0,01 4,21 0,02 4,21 0,01 4,24 0,01 4,14 0,01 4,24 de inocular

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

4.3. CURVAS DE ENFRIAMIENTO Las curvas de las diferentes condiciones de inoculación del metal fundido en cada una de las coladas, se muestran en las figuras 4.1 a 4.3, en cada una se observa la región en donde ocurre la solidificación eutéctica, cuya área es la de interés para este estudio.

Figura 4.1. Curvas de enfriamiento de las condiciones de inoculación de la Col1.

Figura 4.2. Curvas de enfriamiento de las condiciones de inoculación de la Col2. 4-4

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Figura 4.3. Curvas de enfriamiento de las condiciones de inoculación de la Col2. Para cada curva se obtuvo la primera derivada, correspondiente a la velocidad de enfriamiento (dT/dt). Las curvas y sus primeras derivadas fueron tratadas mediante el filtro de transformada de Fourier [1, 2]. En las figuras 4.4a y 4.4b, se muestran dos curvas características de la totalidad de las muestras, junto con sus respectivas derivadas. A partir de las inflexiones de la primera derivada se obtienen a) dos valores de temperatura donde la primera derivada es cero, TEU y TER. b) sólo se obtiene un valor donde la primera derivada es cero, TEU = TER. Para ambas se obtiene el valor de temperatura TES, correspondiente al valor más bajo de la primera derivada.

Figura 4.4. Curvas de enfriamiento características junto con sus primeras derivadas. 4-5

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Estos valores de temperatura, obtenidos a partir de los puntos de inflexión de la primera derivada, dentro de la región de interés, permiten estimar cada evento crítico a través de la solidificación de las fases eutécticas; una descripción breve de cada uno de ellos se presenta en la tabla 4.3. Tabla 4.3. Valores de temperatura T, obtenidos de las curvas de enfriamiento mediante la relación de los puntos de inflexión de la primera derivada de estas curvas [3]. Definición Primer valor de T donde la primera derivada es cero

TEU

TER

TES

Segundo valor de T donde la primera derivada es cero Último valor de T más bajo de la primera derivada

Comentarios -Punto más bajo de la región eutéctica, en donde comienza a incrementarse la T para dar inicio al crecimiento del eutéctico. -T asociada al sobreenfriamiento eutéctico (ºC). -Punto más alto de la región eutéctica, correspondiente a la recalescencia del calor latente del crecimiento eutéctico. -Temperatura asociada a la recalescencia del grafito (ºC). -Temperatura en donde finaliza la solidificación (ºC).

De las curvas que presentan un comportamiento similar al de la figura 4.10, se obtienen los valores TEU y TER, mientras que las curvas que presentan un comportamiento similar al de la figura 4.10b, se asume que TEU = TER [4]. En la tabla 4.4, se presentan los valores de TER, TEU y TES, de todas las curvas de enfriamiento, de las diferentes condiciones de inoculación del metal colado en las tres coladas. Tabla 4.4. Valores obtenidos a partir de las curvas de enfriamiento de las diferentes condiciones de inoculación del metal colado en las tres coladas. Colada Col1

Col2

Col3

Valores T TEU TER TEU=TER TEU TER TEU=TER TEU TER TEU=TER

SI 1145,63 1128,5 1174,74

FeSi1 1142,26 1158,41 1162,73 1152,02 1153,07 -

4-6

FeSi2 1142,12 1121,02 1125,09 1023,03 1070,64 -

SiC 1151,47 1152,99 1158,72 1114,89

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Colada Col1

Col2

Col3

Valores T TEU TER TES TEU TER TES TEU TER TES

SI 1145,63 1145,63 1128,5 1128,5 1174,74 1174,74 1121,52

FeSi1 1142,26 1142,26 1085,07 1158,41 1162,73 1132,91 1152,02 1153,07 1102,62

FeSi2 1142,12 1142,12 1088,22 1121,02 1125,09 1094,84 1023,03 1070,64 1037,64

SiC 1151,47 1152,99 1101,93 1158,72 1158,72 1110,6 1114,89 1114,89 1084,41

SiC-1

SiC-2

SiC-3

4.4. NIVEL DE SANIDAD OBTENIDO A PARTIR DE LAS CUÑAS En la tabla 4.5, se presentan los valores de porcentaje de sanidad de las cuñas W1, W2 y W3, para todas las condiciones de inoculación del metal fundido en las tres coladas, obtenidos a partir del ensayo mencionado en el ítem 3.4.2.1 del capítulo anterior. Tabla 4.5. Valores de sanidad para las cuñas W1, W2 y W3, correspondientes a cada una de las condiciones de inoculación del metal fundido en las tres coladas, [%]. Colada 1 W1 W2 W3

SI 46,43*

FeSi 1 49,45*

FeSi 2 58,38

SiC-1 53,64

Promedio

-

4,28

7,85

3,86

Desv.Est.

67,01

70,46

76,50

70,33

Promedio

-

0,50

1,72

1,34

Desv.Est.

83,05

86,13

94,03

82,21

Promedio

-

0,18

8,44

1,78

Desv.Est.

Colada 2 W1

SI 52,63

FeSi 1 60,76

FeSi 2 56,50*

SiC-2 61,18

Promedio

-

2,12

10,52

10,57

Desv.Est.

4-7

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

W2 W3

68,78

76,69

70,36

73,76

Promedio

-

2,39

4,01

2,42

Desv.Est.

90,29

100,00

100,00

93,96

Promedio

-

0,00

0,00

8,55

Desv.Est.

Colada 3 W1 W2 W3

SI 56,45

FeSi 1 46,27*

FeSi 2 51,33*

SiC-3 48,21*

Promedio

-

1,27

7,54

4,88

Desv.Est.

68,28

74,60

90,78

75,15

Promedio

-

0,57

13,04

7,43

Desv.Est.

81,74

83,49

90,96

86,81

Promedio

-

2,06

1,50

0,82

Desv.Est.

* Valores de nivel sanidad por debajo del 50%, es decir, las muestras evaluadas presentan zonas de chill superiores al 50%.

4.5. EVALUACIÓN MICROESTRUCTURAL 4.5.1. Distribución y tamaño de grafito Las micrografías de las figuras 4.5 a 4.8, relacionan la distribución (Tipo) y tamaño (Clase) de los diferentes tipos de grafito encontrados en las probetas donde se realizó la evaluación microestructural. Se evaluaron todas las condiciones de inoculación, las muestras fueron tomadas de las probetas usadas para la obtención de las curvas de enfriamiento (C. Enf). Para la evaluación de la condición sin inocular y las correspondientes al carburo de silicio las muestras fueron obtenidas de las probetas usadas para determinar la velocidad de enfriamiento en función del módulo de solidificación (VE). En la figura 4.5 se relacionan las micrografías correspondientes a una distribución de grafito tipo A, clases 2 a 6. La figura 4.6 muestra la estructura correspondiente a una distribución de grafito tipo C, clases 2 a 6. En la figura 4.7 se presentan las estructuras correspondientes a un grafito tipo B, clases 4 a 6 y grafito tipo E, clases 4 y 6. El reporte de la cantidad de tipo y clase de grafito, de cada una de estas probetas, es dado según el propuesto por la norma ASTM A247 [5], en las tablas 4.6 (Colada 1), 4.8 (Colada 2) y 4.10 (Colada 3). En general, para todas las condiciones de inoculación en las probetas C.Enf, el tipo de grafito encontrado preferencialmente es A y C, con un tamaño de lámina de grafito comprendido entre las clases 2 (32-64 mm), 3 (16-32 mm) y 4 (16-8 mm). 4-8

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Para la condición particular de cada colada del SiC y la condición sin inocular en la colada 3, en las probetas VE, a medida que el módulo de solidificación (calculado con la ecuación 3.2) disminuye, el tamaño de las láminas de grafito disminuye, desde la clase 2 (32-64 mm), hasta la clase 6 (2-4 mm). El tamaño de lámina de grafito fue observado a 100X, tal cual como lo indica la norma ASTM A247 [5].

4.5.2. Matriz y fases presentes En todas las probetas evaluadas, para todas las condiciones de inoculación de las tres coladas, se observó que la matriz es predominantemente perlítica (Figura 4.8a). Debido a esto, se determinaron de manera aproximada, las fases que tienen un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas, tales como ferrita (Figuras 4.8b y 4.8c), esteadita (Figuras 4.9 a-d) y carburos de hierro (Figura 4.10). La cantidad de cada fase dada en porcentaje, se reporta en las tablas 4.7 (Colada 1), 4.9 (Colada 2) y 4.11 (Colada 3). La cantidad de cada una de estas fases presentes en la matriz, son mínimos tal como se reporta en dichas tablas. Finalmente, en la figura 4.11 se presentan otras fases presentes en la matriz, tales como sulfuros de manganeso y carburos de titanio.

4-9

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

A2

A3

A4

A5

A6 Figura 4.5. Distribución y morfología del grafito. Se observa grafito tipo A con clases 2 (Probeta Col3 FeSi-1 C.Enf), 3 (Probeta Col2 SiC-2 VE1), 4 (Probeta Col1 SiC-1 VE4), 5 (Probeta Col1 SiC-1 VE3) y 6 (Probeta Col3 SiC-3 VE4). Probetas sin ataque metalográfico. 4-10

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

C2

C3

C4

C5

C6 Figura 4.6. Distribución y morfología del grafito. Se observa grafito tipo C con clases de 2 (Probeta Col1 FeSi-2 C.Enf), 3 (Probeta Col2 FeSi-1 C.Enf), 4 (Probeta Col2 SiC-2 VE2), 5 (Probeta Col2 SiC-2 VE3) y 6 (Probeta Col1 SiC-1 VE5). Probetas sin ataque metalográfico.

4-11

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

B4

B5

B6

E4

E6

Figura 4.7. Distribución y morfología del grafito. Se observa grafito tipo B con clases 4 (Probeta Col1 SiC-1 VE4), 5 (Probeta Col2 SiC-2 VE5) y 6 (Probeta Col3 SI-3 VE5*); y un grafito tipo E con clases 4 (Probeta Col3 SiC-3 VE2) y 6 (Probeta Col3 SI-3 VE4*). Probetas sin ataque metalográfico.

4-12

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

(a)

(b)

(c) Figura 4.8. Microfotografías de matriz: a) Perlítica; b) Perlítica con alta presencia de ferrita (metal con el contenido más alto de ferrita, (a y b, Probeta Col1 SiC-1 VE1); c) Perlítica con baja presencia de ferrita (presencia característica de ferrita en metal de bajos contenidos de ferrita, (Probeta Col2 SiC-2 VE2). Ataque metalográfico con Nital 2%. 4-13

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.9. Esteadita presente en la matriz. a), b) y c). Esteadita como fosfuro eutéctico ternario “de grano fino” (a y b, Probeta Col1 SI C.Enf); en c) los pequeños “parches” blancos corresponden a cementita (Probeta Col1 SiC-1 VE2). d) (dentro del círculo blanco) esteadita como fosfuro eutéctico pseudo-binario, patrón característico de “espina de pescado” [6, 7], (Probeta Col1 FeSi2 C.Enf). Ataque metalográfico con Nital 5%.

4-14

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Figura 4.10. Carburos de hierro, Fe3C, presentes en la matriz (Probeta Col2 SI C.Enf). Ataque metalográfico con Nital 2%.

(a)

(b)

Figura 4.11. Otras fases presentes en la matriz. a) Sulfuros de manganeso (Probeta Col1 SI C.Enf); b) Carburos de titanio, indicado dentro de los círculos rojos (Probeta Col1 SiC-1 VE3). Ataque metalográfico con Nital 5%.

4-15

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Tabla 4.6. Distribución y tamaño de grafito de las diferentes probetas de la Colada 1, [%]. Col1-C.Enf A2 A3 A4 A5 B4 B5 C2 C3 C4 C5 C6 E6 Predominante SI

-

39

-

-

7

-

FeSi 1

-

-

-

-

-

-

39 54

FeSi 2

39

-

-

-

-

46 15

SiC-1

-

-

-

-

-

15 31 39

15

39 15

-

-

-

A3-C3

7

-

-

-

C3

-

-

-

-

C2-A2

-

-

-

C4-C3

Col1-VE (SiC-1) A2 A3 A4 A5 B4 B5 C2 C3 C4 C5 C6 E6 Predominante VE1

-

-

-

-

-

8

8

38 38

8

-

-

C3-C4

VE2

-

-

-

-

-

-

-

31 46 23

-

-

C4-C3-C5

VE3

-

-

54

-

-

-

-

-

46

-

-

A5-C5

VE4

-

-

69

8

23

-

-

-

-

-

-

0

A4

VE5

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

92

8

C6

Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

Tabla 4.7. Cantidades de las fases presentes en la matriz de las diferentes probetas de la Colada 1, [%]. Fase

Col1- C.Enf SI

Col1-VE (SiC-1)

FeSi1 FeSi 2 SiC-1

VE1

VE2

VE3

VE4

VE5

Ferrita

0

0

0

2

12

0

0

5

5

Carburos

1

0

1

0

1

0

0

1

0

Esteadita

0

0

1

1

1

0

0

0

0

Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

4-16

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Tabla 4.8. Distribución y tamaño de grafito de las diferentes probetas de la Colada 2, [%]. Col2- C.Enf A2 A3

A4 A5 A6 B5 B6 C2 C3 C4 C5 C6 Predominante

SI

-

15

-

-

-

-

-

15 55 15

FeSi 1

-

54

-

-

-

-

-

-

46

FeSi 2

-

47

7

-

-

-

-

7

7

SiC-2

15

47

-

-

-

-

-

15 15

-

-

C3

-

-

-

A3-C3

32

-

-

A3-C4

8

-

-

A3

Col2-VE (SiC-2) A2 A3

A4 A5 A6 B5 B6 C2 C3 C4 C5 C6 Predominante

VE1

-

46

23

-

-

-

-

-

23

VE2

-

15

23

-

-

-

-

-

23 39

VE3

-

-

8

15

8

-

-

-

-

VE4

-

-

-

31

-

-

-

VE5

-

-

-

-

-

-

62 38

8

-

-

A3-A4-C3

-

-

C4-A4-C3

8

53

8

C5-A5

-

-

15 54

-

-

-

-

C6-A5 B5-B6

Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

Tabla 4.9. Cantidades de las fases presentes en la matriz de las diferentes probetas de la Colada 2, [%]. Fase

Col2- C.Enf

Col2-VE (SiC-2)

SI

FeSi1

FeSi2

SiC-2

VE1

VE2

VE3

VE4

VE5

Ferrita

0

0

0

2

0

0

0

0

2

Carburos

5

3

2

1

4

5

4

4

0

Esteadita

0

0

0

4

0

0

1

0

3

Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

4-17

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Tabla 4.10. Distribución y tamaño de grafito de las diferentes probetas de la Colada 3, [%]. Col3- C.Enf A2 A3

A4

A5

A6

B4

B5

B6

C2 C3

C4

C5

C6

E4

E6

SI FeSi 1 54 15 FeSi 2 7 32 SiC-3 31 23

15 7 -

-

-

-

8 -

-

15 47 15 8 15 8

15 54 23

-

8 -

-

-

C4

C5

C6

E4

E6

46 69 -

15 24 38 -

-

8 -

-

C4

C5

C6

E4

E6

47

32 31 54 -

7 31 -

-

7 23 -

Predominante C3 A2 C4-A3 A2-C3-C4

Col3-VE (SiC-3) A2 A3 VE1 VE2 VE3 VE4 VE5

-

-

A4

A5

A6

B4

B5

B6

15 8 15 -

31 23 -

15 31 -

-

15 8 31

69

C2 C3 8 -

31 -

Predominante C4-C3 C4 A5-C5 C5-A6-A5 B6-B5

Col3-VE (SI)

VE1* VE2* VE3* VE4* VE5*

A2 A3

A4

A5

A6

B4

B5

B6

31 23 -

-

23 16

15 23

31 -

7 -

7 77

C2 C3 -

15 -

-

Predominante A2-A4-B4 C4-C5 C5-C6-A5 C5-E6 B6

Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

Tabla 4.11. Cantidades de las fases presentes en la matriz de las diferentes probetas de la Colada 3, [%]. Col3- C.Enf Fase

SI

Col3-VE (SiC-3)

Col3-VE (SI)

FeSi FeSi SiCVE1 VE2 VE3 VE4 VE5 VE1 VE2 VE3 VE4 VE5 1 2 3

Ferrita

3

0

0

0

0

0

0

0

3

0

0

0

0

0

Carburos

1

2

1

1

4

1

0

6

0

0

2

1

0

0

Esteadita

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

4-18

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

4.6. ENSAYOS DE DUREZA En la tabla 4.12, se presentan los valores de dureza Brinell para las diferentes condiciones de inoculación del metal fundido de las tres coladas. Tabla 4.12. Valores de dureza Brinell para cada una de las condiciones de inoculación del metal fundido en las tres coladas, [HB]. Colada 1 Medición SI FeSi1 FeSi2 SIC-1

1 217,30 206,58 206,58 206,58

2 228,83 217,30 196,60 196,60

3 217,30 211,85 206,58 206,58

4 217,30 206,58 201,50 206,58

5 Promedio Desv.Est 217,30 219,61 5,16 206,58 209,78 4,78 196,60 201,57 4,99 206,58 204,58 4,46

Colada 2 Medición SI FeSi1 FeSi2 SIC-2

1 217,3 191,86 211,85 206,58

2 217,3 187,29 211,85 201,5

3 217,3 191,86 206,58 206,58

4 5 Promedio Desv.Est 206,58 217,3 215,16 4,79 191,86 191,86 190,95 2,04 206,58 217,3 210,83 4,47 206,58 196,6 203,57 4,47

Colada 3 Medición 1 2 3 4 5 Promedio Desv.Est SI 178,59 182,87 178,59 178,59 182,87 180,30 2,34 FeSi1 206,58 211,85 206,58 206,58 206,58 207,63 2,36 FeSi2 206,58 201,5 211,85 206,58 206,58 206,62 3,66 SIC-2 217,3 217,3 217,3 217,3 211,85 216,21 2,44 Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

4.7. ENSAYOS DE TRACCIÓN Los valores de la resistencia última a la tracción obtenida a partir del ensayo de ensayo tracción, para las diferentes condiciones de inoculación del metal fundido en las tres coladas, se presentan en la tabla 4.13.

4-19

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Tabla 4.13. Valores de resistencia última de tracción de las condiciones de inoculación del metal fundido en las tres coladas. Colada 1 Esfuerzo máximo [MPa] SI

FeSi1

Promedio 263,10 273,75

Desv. Est.

-

4,31

Esfuerzo máximo [ksi]

FeSi2

SiC-1

SI

FeSi1

FeSi2 SiC-1

251,50

265,18

38,16

39,70

36,48

38,46

0,80

1,36

-

0,62

0,12

0,20

Colada 2 Esfuerzo máximo [MPa] SI Promedio 263,80

Desv. Est.

-

Esfuerzo máximo [ksi]

FeSi1

FeSi2

SiC-2

SI

FeSi1

FeSi2 SiC-2

251,11

264,78

257,94

38,26

36,42

38,40 37,41

0,80

22,81

0,28

-

0,12

3,31

0,04

Colada 3 Esfuerzo máximo [MPa] SI

FeSi2

SiC-3

SI

FeSi1

FeSi2 SiC-3

Promedio 263,07 266,11

251,31

255,30

38,16

38,60

36,45

37,03

Desv. Est.

20,40

4,02

-

1,48

2,96

0,58

-

FeSi1

Esfuerzo máximo [ksi]

10,20

Valores en negrita corresponden a los más altos en la serie de datos.

4.8. REFERENCIAS [1]

[2]

[3]

E.O. Cerqueira, R.J. Poppi, and L.T. Kubota, “Utilização de filtro de transfomada de fourier para a minimização de ruídos em sinais analíticos,” QUÍMICA NOVA,, vol. 23, (no. 5), 2000. D. Emadi, L.V. Whiting, S. Nafisi, and R. Ghomashchi, “Applications of thermal analysis in quality control of solidification processes,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 81, pp. 235-242, 2005. M. Chisamera, S. Stan, I. Riposan, E. Stefan, and G. Costache, “Thermal analysis of inoculated grey cast irons,” The Annals of “Dunarea de Jos”

4-20

4. Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

[4] [5] [6]

[7]

University of Galati. Fascicle Ix. Metallurgy and Materials Science, (no. 2), pp. 11-16, 2008. AFS, “Inoculation Practice and Control,” in Introduction to Gray Cast Iron Processing, USA, 2000, pp. 79-91. ASTM, “A247-10 Standard Test Method for evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings ASTM,” ASTM INTERNATIONAL, pp. 1-2, 2010. J.M. Radzikowska, “Effect of specimen preparation on evaluation of cast iron microstructures,” Materials Characterization, vol. 54, (no. 4-5), pp. 287-304, 2005. H.R. Abbasi, M. Bazdar, and A.Halvaee, “Effect of phosphorus as an alloying element on microstructure and mechanical properties of pearlitic gray cast iron,” Materials Science and Engineering: A, vol. 444, (no. 1-2), pp. 314317, 2007.

4-21

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

5.1. ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LAS CONDICIONES EXPERIMENTALES DE LAS COLADAS Con el fin de comparar los resultados obtenidos de las diferentes condiciones de inoculación del metal colado, se evalúa si los diferentes datos son estadísticamente comparables, a partir de las condiciones experimentales del metal base (temperatura de vaciado y carbono equivalente). Aunque estas condiciones experimentales no son las variables de estudio, éstas influyen fuertemente sobre las características microestructurales del material y por lo tanto los resultados obtenidos están sujetos también a estas variables [1]. La evaluación se realizó para cada condición experimental mediante el análisis estadístico ANOVA, correspondiente cada factor de interés (Tv y CE), mediante el uso del software estadístico Statgraphics (Centurion XV Versión 15.2.06). El ANOVA, permite: -Rechazar la hipótesis nula: µSI = µ FeSi1 = µ FeSi2 = µ SiC (todas las medias del factor de interés son iguales) -Ratificar la hipótesis alternativa: µCol.i ≠ µ Col.j (al menos dos medias del factor de interés son diferentes) [2].

5.1.1. ANOVA para la temperatura de vaciado En la tabla 5.1 se presenta la media y la desviación estándar de los valores de Tv, para cada una de las condiciones de inoculación y en la tabla 5.2 se presenta la tabla ANOVA del factor de interés, que en este caso es la Tv.

Tabla 5.1. Media y desviación estándar de los datos de Tv para cada una de las condiciones de inoculación [ºC] Muestra

Recuento de datos

Media

Desviación estándar

SI FeSi1 FeSi2 SiC Total

3 3 3 3 12

1367 1361,33 1349,67 1332,33 1352,58

32,048 12,0554 10,0167 5,85947 20,7209

5-2

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Tabla 5.2. ANOVA para los datos de la Tv para cada una de las condiciones de inoculación con α=0.05 Fuente

Suma de cuadrados

Grados de libertad

Cuadrados medios

Entre Dentro de Total

2108,92 2614 4722,92

3 8 11

702,972 326,75

Razón-F

Valor-p

2,15

0,1719

Verificación de varianza Levene´s: 1,60034

Valor-p

0,2642

Como se observa en la tabla 5.2, el valor p de la ANOVA, es mayor que α, por lo tanto, no existe una diferencia estadísticamente significativa, entre las medias con un 5% de nivel de significancia (se acepta la hipótesis nula). Adicionalmente, se obtuvo el gráfico de Medias con intervalos LSD (Least Significant difference: diferencia mínima significativa) de Fisher del 95%, el cual se observa en la figura 5.1 [2].

Figura 5.1. Medias con intervalos LSD del 95% para los valores de la temperatura de vaciado. La figura 5.1, muestra las medias de cada colada junto con su respectivo intervalo de incertidumbre LSD. Debido a que los intervalos de todas las condiciones de inoculación se traslapan, las temperaturas de vaciado de todas las coladas, no son significativamente diferentes, y por lo tanto son estadísticamente comparables [2] .

5-3

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

5.1.2. ANOVA para el carbono equivalente En la tabla 5.3, se presentan la media y la desviación estándar de los valores de CE, para cada una de las condiciones de inoculación y en la tabla 5.4, se presenta la tabla ANOVA del factor de interés, que en este caso es el CE. Tabla 5.3. Media y desviación estándar del CE para cada una de las condiciones de inoculación [%] Muestra

Recuento de datos

Media

Desviación estándar

SI FeSi1 FeSi2 SiC Total

3 3 3 3 12

4,13667 4,17333 4,11 4,07333 4,12333

0,100664 0,137961 0,0866025 0,0650641 0,0943237

Tabla 5.4. ANOVA para el CE para cada una de las condiciones de inoculación con α=0.05 Fuente

Suma de cuadrados

Grados de libertad

Cuadrados medios

Entre Dentro de Total

0,0160667 0,0818 0,0978667

3 8 11

0,00535556 0,010225

Razón-F

Valor-p

0,52

0,6780

Verificación de varianza Levene´s: 0,181736

Valor-p

0,9058

Como se observa en la tabla 5.4, al igual que la Tv, el valor-p de la ANOVA de los datos del CE es mayor que α, por ende, no existe estadísticamente una diferencia significativa entre las medias, con un 5% de nivel de significancia, (se acepta la hipótesis nula). De igual manera para el CE, se obtuvo el gráfico de Medias con intervalos LSD de Fisher del 95%, el cual se observa en la figura 5.2 [2].

5-4

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Figura 5.2. Medias con intervalos LSD del 95% para los valores del CE. A partir de este gráfico, se observa que los intervalos de todas las condiciones de inoculación se traslapan y por lo tanto son estadísticamente comparables entre sí. A partir de este análisis estadístico, los resultados obtenidos de todas las condiciones de inoculación, pueden ser comparables entre sí. Además, dentro de este rango de temperatura de vaciado, los cambios de las propiedades asociados a esta temperatura tales como la dureza (HB), la cantidad de “chill” (%) y la cantidad de tipo de grafito A, no son tan significativos [3]. Por lo tanto, cuando se comparen las diferentes condiciones de inoculación, las diferencias serán debidas a la condición de inoculación como tal y no a las variaciones en la temperatura de vaciado o el carbono equivalente; y por lo tanto, los valores de las diferentes propiedades evaluadas en función de las condiciones de inoculación: Sin inocular, FeSi1 y FeSi2, son presentados con sus valores promedio y son comparadas con los valores de las propiedades de las condiciones particulares de inoculación del SiC.

5-5

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

5.2. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS DE LAS PROPIEDADES EVALUADAS EN FUNCIÓN DE LA CONDICIÓN DE INOCULACIÓN 5.2.1. Análisis térmico a partir de las curvas de enfriamiento A partir de los valores de TEU, TER y TES obtenidos de las curvas de enfriamiento, presentados en el capítulo de resultados (tablas 4.3 y 4.4), se calcularon seis parámetros, ∆Ts, ∆Tm, ∆Tr, ∆T1, ∆T2 y ∆T3; estos intervalos de temperatura permiten estimar y cuantificar, los eventos característicos de la solidificación de las fases eutécticas, y a su vez permiten determinar la eficiencia de los inoculantes utilizados. En la figura 5.3 se muestra la descripción de estos parámetros con relación a las curvas de enfriamiento. En la tabla 5.5 se presenta la definición de los mismos.

Figura 5.3. Curva de enfriamiento característica que relaciona los diferentes parámetros calculados.

5-6

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Tabla 5.5. Parámetros calculados para el análisis térmico de las curvas de enfriamiento [4]. Definición

Comentarios

T en la que el carbono precipita como grafito

-Valor de temperatura calculada correspondiente a la solidificación del grafito (solidificación gris). -Calculada mediante: T eutéctica de equilibrio de la solidificación estable (grafito) ± valores de incidencia de los elementos de aleación (ver Eq 5.7). -Algunos elementos de aleación suben favorablemente esta T (Si, Al, Cu, Ni) y otros desfavorablemente la bajan (Mn, P).

Tmst

T en donde el carbono está químicamente combinado con hierro (Fe3C)

-Valor de temperatura calculada correspondiente a la solidificación del Fe3C (solidificación blanca). -Calculada mediante: T eutéctica de equilibrio de la solidificación metaestable (Fe3C) ± valores de incidencia de los elementos de aleación (ver Eq. 5.8). -Algunos elementos de aleación suben desfavorablemente esta T (Mn, Cr, V) y otros favorablemente la bajan (Si, Al, Cu, Ni).

∆Ts

Tst - Tmst (Eq. 5.1)

Tst

∆Tm

Grado de Sobreenfriamiento eutéctico convencional ∆Tm= Tst-TEU (Eq. 5.2)

-Rango de temperatura de equilibrio eutéctico.

-Representa el máximo sobreenfriamiento eutéctico. -Entre más bajos sean sus valores, la eficiencia del inoculante es mayor. -A altos valores: -Se favorece la formación del tipo de grafito sobreenfriado, D. -Entre más altos sean sus valores, mayor es la necesidad de de inoculación; (valores normales entre 20 a 30 ºC). - Si es mayor que ∆Ts, se favorece la formación de chill. -Mayor cantidad de austenita, se incrementa la macrocontracción.

5-7

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Continuación de la tabla 5.5.

∆Tr

∆T1

∆T2

∆T3

Grado de recalescencia TER – TEU (Eq. 5.3)

TEU-Tmst (Eq. 5.4)

-Este refleja la cantidad de austenita y grafito, que se ha formado en la primera parte del crecimiento eutéctico. -Altos valores pueden ser desfavorables para moldes de baja rigidez. -Los valores ideales dependen del tipo de molde y del módulo de solidificación de la pieza fundida; como referente, los valores normales están comprendidos entre 2 a 5 ºC. -La inoculación reduce normalmente la recalescencia.

-Sobreenfriamiento eutéctico comparado con la Tmst. -Comienzo de la reacción eutéctica; si es menor que cero, se favorece la formación de chill. -Entre más altos sean sus valores, la eficiencia del inoculante es mayor. (Valores normales corresponden a >20ºC).

TER-Tmst (Eq. 5.5)

-Sobreenfriamiento eutéctico comparado con Tmst. -Fin de la reacción eutéctica; si es mayor que cero, no se formará chill. -Entre más altos sean sus valores, la eficiencia del inoculante es mayor. -Para altos valores, se inhibe la presencia del Grafito Tipo D. -La inoculación incrementa en menor grado este parámetro.

Tmst- TES (Eq. 5.6)

- Usualmente se da en valores negativos, cuando TES< Tmst. - A valores más negativos (especialmente menores que -20 ºC) se promueve la formación de carburos intercelulares, el inverse chill y la microcontracción. -La inoculación reduce este parámetro (valores menos negativos ó positivos) y a su vez la incidencia de defectos por contracción.

5-8

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Los valores de las temperaturas eutécticas estable (Tst) y metaestable (Tmst), fueron calculados mediante las ecuaciones 5.1 y 5.2, respectivamente. Los valores iniciales en cada una de las ecuaciones, corresponden a los valores de las temperaturas eutécticas estable y metaestable de un diagrama Fe-C [5]. Las constantes de cada elemento en las ecuaciones (ºC/Wt%), relacionan la influencia ejercida por los elementos de aleación sobre las temperaturas eutécticas estable y metaestable del sistema Fe-C [5, 6]; para el silicio, se tomaron los valores sugeridos en las referencias [4, 7, 8].

Testable = 1154 °C + 6,3 %Si - 2%Mn -30%P + 8%Al+ 5%Cu+ 4%Ni

(Eq. 5.7)

Tmetaestable = 1148 °C - 12%Si + 3%Mn -37%P - 15%Al +7%Cu -2,3%Cu - 6%Ni + 7%V

(Eq. 5.8)

En la tabla 5.6, se presentan los valores calculados de estas temperaturas y los valores calculados a partir de las ecuaciones 5.1 a 5.6 presentadas en la tabla 5.5. Tabla 5.6. Valores de los parámetros de análisis térmico calculados a partir de las curvas de enfriamiento Condición de inoculación SI FeSi1 FeSi2 SiC-1 SiC-2 SiC-3

Temperaturas eutécticas a

b

Tst (ºC)

Tmst (ºC)

1166,73 1167,16 1167,44 1167,69 1165,60 1168,67

1112,35 1111,95 1111,62 1112,84 1107,07 1112,99

c

Parámetro d

∆Ts (ºC)

∆Tm (ºC)

∆Tr e ∆T1 f ∆T2 g ∆T3 h (ºC) (ºC) (ºC) (ºC)

54,38 55,21 55,82 54,85 58,53 55,68

17,11 16,27 72,05 16,22 6,88 53,78

0,00 1,79 17,23 1,52 0,00 0,00

37,27 37,27 6,56 38,94 40,73 -5,09 -16,23 1,00 -38,05 38,63 40,15 -10,91 51,65 51,65 3,53 1,90 1,90 -28,58

a. Temperatura eutéctica estable, b. Temperatura eutéctica metaestable, c. Rango de temperatura de equilibrio eutéctico, d. Grado de sobreenfriamiento eutéctico convencional, e. Grado de recalescencia, f. Comienzo de la reacción eutéctica, g. Fin de la reacción eutéctica, h. Intervalo de temperatura entre la temperatura eutéctica metaestable y la temperatura donde finaliza la solidificación. Los valores en negrita corresponden a los más óptimos en cada condición de inoculación

5-9

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

Se observa a partir de la tabla 5.6, que los valores de las temperaturas de equilibrio eutéctico son muy similares entre sí (Desviación estándar de Tst: 1,02 ºC y de Tmst: 2,22 ºC), por ende los valores del parámetro, ∆Ts (rango de temperatura de equilibrio), son de igual manera similares; pero de todas las condiciones de inoculación, la que presenta el valor de ∆Ts más bajo, es la condición SI; esto es razonable, entendiéndose que el silicio, que es el elemento que se encuentra en mayor cantidad en los agentes inoculantes, es el que más influye en la modificación de ambas temperaturas, sube Tst (temperatura en la que el carbono precipita como grafito) y baja Tmst (temperatura en donde el carbono está químicamente combinado con el hierro como Fe3C) y por lo tanto ∆Ts en las condiciones de metal inoculado, es mayor en comparación a la condición sin inocular. Cabe anotar para la condición SiC-2, que si bien el valor de Tst es el menor observado, el valor de Tmst es el más bajo de todas las condiciones de inoculación evaluadas, esta última temperatura aumenta el intervalo ∆Ts (más alto que todas las condiciones evaluadas), haciendo que aumente la posibilidad de que el carbono precipite mayormente en grafito, en vez de combinarse como Fe3C. Respecto al parámetro ∆Tm, el cual relaciona el sobreenfriamiento eutéctico, los valores obtenidos están dentro de los valores esperados, según lo reportado en la literatura (20 – 30 ºC) [4], excepto para las condiciones FeSi2 y SiC3, las cuales presentan los valores de sobreenfriamiento más altos. En el caso del FeSi2, ∆Tm es mayor que ∆Ts, lo que conlleve a que el metal inoculado bajo esta condición presente una mayor posibilidad de presentar chill y una gran tendencia a la macrocontracción. Cabe anotar, que el menor sobreenfriamiento lo presenta la condición SiC-2, con un valor muy por debajo del que presentan las otras condiciones de inoculación evaluadas. Bajo este parámetro, que es el más relevante en el análisis térmico, puede decirse, que la condición SiC-2 es la que presenta la mayor efectividad de inoculación. El parámetro ∆Tr (incremento de la temperatura del calor latente durante la solidificación eutéctica) refleja la cantidad de austenita y grafito que ha precipitado en la primera parte del enfriamiento eutéctico [9]. Los altos valores indican una expansión temprana indeseable de grafito que puede incrementar la expansión y contracción de las fases primarias, disminuyendo el contenido de carbono para la expansión del grafito al final de la solidificación; todo esto incrementa la formación

5-10

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

de porosidades por microcontracción [10]. Según la literatura, la inoculación efectiva minimiza el grado de recalescencia [4, 11]. A partir de los valores obtenidos para este parámetro en las diferentes condiciones de inoculación evaluadas, las condiciones SI, SIC-2 y SiC-3 presentan cero recalescencia. Las condiciones restantes, asociadas al metal inoculado con SiC-1, FeSi1 y FeSi2, presentan valores mayores que cero. La última condición evaluada, presenta el grado de recalescencia más alto de todas las condiciones estudiadas (17,23 ºC). Las condiciones de inoculación SiC-3 y FeSi-2 presentan los valores más bajos para los valores de los parámetros ∆T1 y ∆T2, lo que genera una tendencia a la presencia de chill. En el caso de la condición SiC-3 si bien su grado de recalescencia es cero, el crecimiento del eutéctico es muy cercano a la temperatura eutéctica de solidificación metaestable Tmst, dando lugar a la formación de Fe3C, debido al alto grado de sobreenfriamiento (∆Tm) que presenta. Por estas razones podría decirse que su estado de inoculación es insuficiente. Una situación más crítica se da para la condición FeSi-2 donde el parámetro ∆T1 presenta un valor altamente negativo; según la literatura, la inoculación incrementa en mayor grado este parámetro que el del ∆T2 [4], según esto y junto con el más alto valor de sobreenfriamiento, podría decirse que esta es la condición de inoculación menos efectiva de todas las condiciones estudiadas. Los valores obtenidos para los parámetros ∆T1 y ∆T2 en las condiciones de inoculación restantes, son los esperados según lo reportado en la literatura (>20 ºC), tal como se indicó en la tabla 5.5 [4]. La condición SiC-2 presenta los valores más óptimos para estos dos parámetros. El incremento de estos parámetros se relaciona con una alta tendencia a formar grafito y a disminuir la presencia de chill. El parámetro ∆T3, relaciona que a valores más negativos se favorece la aparición de carburos intercelulares (al borde de las celdas eutécticas) y el inverse chill al final de la solidificación (segregación de hidrógeno en la fase líquida; este hidrógeno puede provenir de varias fuentes: aditivos aglomerantes para la arena de moldeo en verde, tales como agua, arcillas, silicato de sodio y resinas furánicas, también de refractarios húmedos instalados en el horno y la cuchara) [12, 13], puede observarse que las condiciones FeSi-2 y SiC-3, son las que presentan los valores más negativos; para el resto de las condiciones de inoculación evaluadas,

5-11

5. Análisis de Resultados Efecto de la utilización de SiC como agente inoculante en las propiedades microestructurales y mecánicas de los hierros grises

los valores encontrados están dentro de los valores esperados, según lo reportado en la literatura (