Estudio-y-fabricacion-de-fundicion-vermicular

•

Engenharias

Ingeniería Fácil

14/7/2022

¡Este material tiene más páginas!

Entonces, ¿te gustó este material?

Ayude a animar a otros estudiantes a mejorar el contenido

¿Te gustó este material? ¡Compartir! 🧡

Ingeniería

47.806 Materiales compartidos

Descarga la aplicación para disfrutar aún más

Lea materiales sin conexión, sin usar Internet. Además de muchas otras características!

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA
DE MEXICO

FACULTAD DE QUIMICA

ESTUDIO Y FABRICACIÓN DE FUNDICIÓN
VERMICULAR.

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO QUÍMICO METALÚRGICO

P R E S E N T A :

ARMANDO GARCÍA DÍAZ.

MEXICO, D.F. 2013.

UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
Restricciones de uso

DERECHOS RESERVADOS ©
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL

Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México).
El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea
objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro,
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el
respectivo titular de los Derechos de Autor.

UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
Restricciones de uso

DERECHOS RESERVADOS ©
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL

Jurado asignado:

Presidente: Profesor Eusebio Cándido Atlatenco Tlapanco.
Vocal: Profesor Carlos González Rivera.
Secretario: Profesor Sergio García Galán.
1er sup. Profesor Arturo Alejandro Sánchez Santiago.
2do sup. Profesor Agustín Gerardo Ruiz Tamayo.

Sitio donde se desarrolló el tema:
Laboratorio de Fundición, Departamento de Ingeniería Metalúrgica,
Facultad de Química, UNAM.

Asesor del tema: ____________________________________
Profesor Eusebio Cándido Atlatenco Tlapanco.

Supervisor técnico: ____________________________________
Profesor Agustín Gerardo Ruiz Tamayo.

Sustentante: ________________________________
Armando García Díaz
AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por protegerme durante todo mi camino y darme fuerzas
para superar obstáculos y dificultades a lo largo de toda mi vida.

Con mucho cariño principalmente a mis padres que me dieron la vida y han
estado en todo momento. Gracias por todo papá y mamá por darme una
carrera para mi futuro y por creer en mí, aunque hemos pasado momentos
difíciles siempre han estado apoyándome y brindándome todo su amor, por
todo esto les agradezco de todo corazón que estén conmigo a mi lado.

A mis hermanos, David, Luis, Germán, Angélica y Elizabeth que con sus
consejos me ha ayudado a afrontar los retos que se me han presentado a lo
largo de mi vida.

A mi asesor de tesis el ingeniero Cándido por la orientación y ayuda que me
brindó para la realización de esta tesis, por su apoyo y amistad que me
permitieron aprender mucho.

Al Ingeniero Agustín Gerardo por su gran apoyo y motivación, por su
paciencia y por impulsar el desarrollo de este trabajo, ala Ingeniera teresita
por siempre estar dispuesta a ayudar en los momentos más difíciles.

A mi novia Coral quien me apoyo y alentó para continuar, cuando parecía
que me iba a rendir.
Gracias a todas las personas que ayudaron directa e indirectamente en la
realización de este proyecto
Son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional a
las que me encantaría agradecerles su amistad, consejos, apoyo, ánimo y
compañía en los momentos más difíciles de mi vida. Algunas están aquí
conmigo y otras en mis recuerdos y en mi corazón, sin importar en donde
estén quiero darles las gracias por formar parte de mí, por todo lo que me
han brindado y por todas sus bendiciones

A mis sinodales, gracias por darme la oportunidad y por el tiempo que me
han dedicado para leer este trabajo.

A la UNAM por darme la oportunidad de estudiar y ser un profesional.

A mi sobrina Samara y mis sobrinos Luis, Jack, Brad, Germán, Santiago y
Mateo por llegar a mi vida.

Índice
4

Introducción 6
Objetivos 7

CAPITULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1 Diagramas de fases hierro-carbono (estable y metaestable). 8
1.1.1 Microconstituyentes de las fundiciones ferrosas. 10
1.2 Fundiciones blancas. 13
1.3 Fundiciones grises. 14
1.3.1 Clasificación de las fundiciones grises. 18
1.3.2 Tipos de grafito. 19
1.3.3 Propiedades mecánicas. 21
1.3.4 Elementos de aleación. 22
1.4 Fundición nodular. 25
1.4.1 Elementos de aleación. 26
1.4.2 Propiedades mecánicas. 28
1.5 Fundición vermicular. 29
1.5.1 Propiedades de las fundiciones vermiculares. 30
1.6 Fabricación de hierro vermicular. 33
1.7 Hornos. 34
1.8 Chatarras. 35
1.9 Ferroaleaciones. 36
1.10 Tratamientos del metal líquido. 38
CAPITULO II. DESARROLLO EXPERIMENTAL.

2.1 Materialy Equipo. 45
2.2. Etapas del procedimiento experimental. 48
2.2.1 Incorporación del refractario. 49
2.2.2 Preparación de la mezcla de arena de moldeo moldeo. 50

Índice
5

2.2.3 Proceso de fusión, el cual involucra la técnica de fundición. 54

2.3 Evaluación metalográfica de las piezas. 57

CAPITULO III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

3. 1 Metalografía y Evaluación. 59
3.2 Discusión de resultados. 64
CAPITULO IV. CONCLUSIONES. 67

Bibliografía. 68
Apéndice I 70
Apéndice II 77

Introducción
6

Introducción

La fundición Vermicular o Carbón grafito compacto (CGI) fue
descubierta al final de los 40’s , durante el desarrollo de la técnica de
producción de la fundición nodular, este se realizó cuando el
tratamiento con magnesio fue insuficiente para estabilizar totalmente
la forma del grafito esferoidal y se obtuvo un grafito precipitado en
forma de gusanos o vermículos. Por muchos años esta forma de
fundición de grafito compacto se presento en la producción de
fundición nodular considerándola una falla en la producción,
subsecuentemente se observo que las propiedades de este material
tenía un excelente combinación de propiedades tanto mecánicas
como físicas, tablas III y IV. Al saber de sus propiedades mecánicas
en los 60’s se opto por desarrollar técnicas de producción del CGI en
respuesta de la demanda de materiales especiales para el diseño de
mejores motores para la industria automotriz. Desafortunadamente la
producción de CGI en el ámbito industrial no sucedió debido a que la
microestructura es solamente estable en el nivel de 0.03% de
magnesio residual, siendo difícil lograr este nivel de Mg. De igual
manera a principios de los años 70’s y 80´s la producción de CGI fue
infructuosa por lo cual se dice que la técnica de producción no era lo
suficientemente reproducible para asegurar una alta calidad de
fundición de grafito compacto.
La fundición vermicular se obtiene controlando la cantidad de
magnesio adicionado al momento de nodularización, este proceso es
muy similar al utilizado para producir una fundición nodular,
desafortunadamente cuando el proceso no se efectúa
adecuadamente, por no controlar el porcentaje de Mg residual, se
obtiene fundición gris ó fundición nodular.

Objetivos
7

Objetivos:
A partir de una composición química ya establecida se va a fabricar
el hierro vermicular con las mismas condiciones de trabajo. De igual
manera determinar los parámetros de formación de este mismo.

Establecer el papel del magnesio residual sobre la morfología del
grafito y la obtención de grafito compacto.

Establecer si es posible utilizar el método sándwich para obtener
hierro vermicular así como el intervalo de cantidades de magnesio
residual que presenta la producción de hierro vermicular.

Establecer el tipo de matriz asociados al hierro vermicular obtenidos.

Fundamentos teóricos

CAPITULO I.
Fundamentos teóricos

1.1 Diagramas de fases hierro - carbono (estable y
metaestable)

Las aleaciones ferrosas (Fe-C) se estudian de acuerdo los diagramas
de fases: metaestable (Fe-Fe3C) y estable (Fe-Cg).
El diagrama estable representa el equilibrio entre ferrita y grafito, y
correspondería a una velocidad de enfriamiento teórica e
infinitamente lenta.
La figura 2 representa el diagrama metaestable; el estable está
superpuesto y punteado y difiere de aquél en porcentajes y
temperaturas. En él se designan sólo los microconstituyentes
metaestables; para el estable, deben sustituirse la perlita, cementita
y ledeburita simplemente por ferrita y grafito.
El diagrama estable correspondiente a 2% de silicio que es un
contenido como medio entre estos dos diagramas. El estudio
profundo se complica además de otros temas, por tratarse de un
diagrama ternario Fe-C-Si. Pero resumiendo y simplificando para un
hierro colado durante la solidificación; en cuanto más alto sea el %C
y %Si y más lenta la velocidad de enfriamiento, tenderá a seguir el
diagrama estable (hierro-grafito). Caso contrario, a menor %C y %Si
y mayor presencia de elementos aleantes como el Mn, Cr, Mo,
además de velocidades de enfriamiento muy rápidas, seguirá el
diagrama metaestable.
La vinculación entre análisis químico, propiedades y simplificación del
diagrama ternario a simplemente binario, se obtiene fijando el Si en 2
%, y con el concepto de carbono equivalente: % C.E.

Fundamentos teóricos

Como se vera en el desarrollo de las fundiciones grises, este valor es
más importante que los porcentajes individuales de % C o % Si. Caso
similar sucede para la fundición nodular.

Figura.1 Desarrollo de la microestructura hipoeutectoide y de la hipereutectoide de
los aceros durante el enfriamiento en relación con el diagrama de fases.
I ~
. . ~
.. T.mp.roluro . ' .
s . c-_ . .....
I! . "
•• ~ I •• ".
".~." - ¡ .. .... ~.
'C
~. I! ~¡f ~ ~:"~:: ... :.
1 . _!! ~.-~, !+--.---.L.L'¡;
, i U i i i !~ }- -
__ ~L- __ .~ -----eB-----------+ --0 ------
l' : n ni' ~ ~
¡
'" e P i .. l· ~ ~ o ¡¡ . .. " :: ~ ! l! ¡
~ lt 8 hl
W ~ 1; ~
~
\~ ¿ z \\~ :. ¡ ;
:lO ~ ~ f~
.. .. lo .. . .
U :tA V ' \j:i~ ;~\ " ~ i ':
~ ; 1 #
!: I
:
~
~
I~ E
I~ ~
::::
'. :
'" ' . i ;/
r ..
p o;
" • f
Fundamentos teóricos

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro carbono, tanto
en estado combinado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir ,
grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:
1. Fe-Fe3C (metaestable); este sistema comprende aceros y
fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con carbono
combinado, sin carbono libre (grafito).
2. Fe-C (estable); este sistema muestra el esquema de formación
de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde
el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre
(grafito).

1.1.1 Microconstituyentes de las fundiciones ferrosas

Cementita: este carburo de
hierro Fe3C con un contenido fijo
de carbono del 6.67% tiene
propiedades mecanicas límitadas
debido a que es muy dura y por
tanto demasiado fragil.

Perlita: está compuesta por
86.5% de ferrita y 13.5% de
cementita. Microestructura
formada por capas olaminas
alternadas de las dos fases
(ferrita y cementita) durante el
enfriamiento lento.

Fundamentos teóricos

Austenita: este es el
microconstituyente más denso y
es una solución sólida, por
inserción de carbono en la red
cristalina del hierro gamma. La
proporción de C disuelto varía
desde el 0 al 1.76%
correspondiendo este último
porcentaje a la máxima
solubilidad a la temperatura de
1130°C.

Ledeburita: la ledeburita es un
microconstituyente de la
fundiciones. Se forma al enfriar
una fundición líquida hierro-
carbono (con composición de
alrededor del 4.3% de C ) desde
1130°C, siendo estable hasta
723°C, transformandose a partir
de esta temperatura en
ledeburita transformada (perlita
y cementita).

Fundamentos teóricos

Figura. 2 Diagrama de fases Fe-C estable (línea de rayas discontinuas) y diagrama
de fases Fe-Fe3C metaestable (líneas continuas).

Figura. 3 Influencia del contenido de silicio en el porcentaje de carbono de las
composiciones eutéctica y eutectoide en las fundiciones.
Fundamentos teóricos

Las principales circunstancias que favorecen la formación de grafito
son, un elevado porcentaje de silicio y un enfriamiento relativamente
lento.
Experimentalmente se ha comprobado también que la presencia de
núcleos de cristalización en la fase liquida, ejerce gran influencia en la
formación de grafito. El manganeso, azufre y cromo favorecen en
cambio la formación de cementita. La máxima temperatura alcanzada
por la aleación durante la fusión y la temperatura de colada, también
influye en la cantidad, tamaño y distribución de las láminas de
grafito. En algunos casos el grafito se forma directamente en la
transformación líquido-sólido o bien debido a la reacción eutéctica
del diagrama Fe-Cgrafito.

En general, el grafito se forma más fácilmente a temperaturas
elevadas que a bajas temperaturas.

1.2 Fundiciones blancas

Las fundiciones blancas (Fig.4) son aleaciones Fe-C cuyos procesos
de solidificación y transformaciones en estado sólido, se realizan
siguiendo las leyes generales del diagrama metaestable Fe-Fe3C: su
estructura está constituida principalmente por perlita y cementita:
grupos de colonias de perlita derivados de la austenita primaria
(libre), rodeados por ledeburita transformada (formada por cementita
y perlita).
Se producen principalmente por vaciado de la aleación en moldes
metálicos con un ajuste apropiado de la composición química.
Fundamentos teóricos

Se caracterizan por gran dureza y fragilidad, causadas por la
presencia de cantidades importantes de cementita. En general no son
maquinables y el acabado se realiza siempre por rectificado.
Aplicaciones: para equipos de movimiento de tierra minería y
molienda, para bolas de molinos de bolas, para obtener fundiciones
maleables, etc.

Figura. 4 Microestructuras de fundiciones blancas: a) hipoeutéctica, b) eutéctica, c)
hipereutéctica

1.3 Fundiciones grises

Se llaman así por el aspecto de la fractura, que es de color gris. Es
aquella en la cual el carbono se encuentra en alto grado o en su
totalidad en estado libre en forma de grafito laminar.
La fundición gris (a excepción de la blanca) se diferencia del acero
debido que en su estructura hay hojuelas de grafito cuya cantidad,
forma, tamaño y distribución varían dentro de límites muy amplios y
da lugar a diferentes fundiciones grises. Estas fundiciones son un
material compuesto de grafito, y de otro material matriz (perlita) que
frecuentemente está compuesto por un intermertálico (cementita), y
una solución sólida (ferrita) que es metálica.
Su colabilidad es mejor en cuanto mayor sea el contenido de carbono
por ser pequeño el intervalo de temperaturas entre líquidus y sólidus.
Fundamentos teóricos

Algunas de ellas, las de composición eutéctica, solidifican a
temperatura constante.
Las fundiciones grises presentan rechupe, 1 % de contracción lineal
aproximadamente, inferior a la de los aceros y fundiciones blancas.
La pequeña contracción al solidificar se debe a que su densidad
(entre 6,95 y 7,35 g/cm3, menor cuanto más carbono) es inferior a la
de las fundiciones blancas (7,7 g/cm3) y a la de los aceros (7,87
g/cm3).

Gracias a la buena colabilidad de las fundiciones grises es posible
moldear piezas de paredes delgadas, tales como tubos para aletas
con radiadores, rodetes para bombas, anillos para compresores, etc.
Para una buena colabilidad, se requiere que el intervalo de
solidificación sea el menor posible, o lo que es igual, altos valores de
carbono equivalente. Las fundiciones grises ordinarias presentan
buena resistencia a la corrosión, superior a los aceros. Los productos
de corrosión quedan apresados por el esqueleto de grafito y dificultan
el deterioro de zonas más profundas.
La obtención de cada uno de los distintos tipos de fundiciones,
depende del denominado "Potencial de grafitización", concepto que
resume integralmente las variables composición química y velocidad
de enfriamiento desde el estado líquido. Las propiedades finales
quedarán determinadas por él, y por la estructura de la base metálica
de la fundición, que depende de la velocidad con que se producen las
transformaciones en estado sólido.
Fundamentos teóricos

Figura. 5 Potencial de grafitización.

Para potenciales de grafitización altos y bajos, influye principalmente
la composición química; para potenciales medios, tiene mayor
influencia la velocidad de enfriamiento.

Constituyentes microestructurales

En general las propiedades de las aleaciones dependen de su
microestructura. Por lo tanto, el estudio microscópico de sus
componentes es siempre muy importante, en especial en el caso de
las fundiciones en las cuales la presencia del carbono o grafito tiene
una influencia considerable. Tres son los constituyentes principales de
las fundiciones: perlita, ferrita y grafito. También se encuentra
presente el eutéctico ternario de fósforo, denominado esteadita, y
cantidades variables de diversas inclusiones, principalmente de
sulfuro de manganeso.
Grafito: el grafito es el elemento más importante de las fundiciones, y
su forma tamaño y distribución determina, principalmente, las
características mecánicas de las fundiciones.
Es verdaderamente útil considerar a las fundiciones como aceros que
contienen láminas, nódulos o concentraciones de grafito. Por lo tanto,
Fundamentos teóricos

las propiedades mecánicas serán correspondientes a su matriz,
modificadas por la presencia de las láminas o nódulos de grafito que
alteran la continuidad de la misma. Como en el caso de los aceros, la
resistencia y la dureza se
Incrementa al aumentar la cantidad de perlita. En general, en las
fundiciones las resistencias más elevadas corresponden a las que
poseen una matriz totalmente perlítica. Pero hay que tener en cuenta
que el tamaño, forma y distribución del grafito modificará las
propiedades intrínsecas de la matriz. En general la influencia del
grafito sobre la matriz, considerada como acero, es de incrementar la
resistencia al desgaste, capacidad de amortiguamiento, facilidad de
mecanización, resistencia a la corrosión, y resistencia a los choques
térmicos. Por lo contrario disminuye la dureza, la ductilidad, módulo
de elasticidad, resistencia de al choque y el peligro de agrietamiento
durante la solidificación, presentando como consecuencia de esta
última propiedad una buena colabilidad.
Perlita: una parte del carbono total de la fundición se encuentra en la
forma combinada formando el constituyente microestructural
conocido con el nombre de perlita, en el cual lo mismo que en el caso
de los aceros, están formados por laminas alternadas de ferrita y
cementita, dependiendo principalmentela separación de las laminas
de la velocidad de enfriamiento. Para misma concentración de
carbono y tipo y tamaño del mismo, las características de la fundición
y su resistencia al desgaste está en relación directa con el contenido
en perlita de la matriz: mayor contenido en perlita, mayor
resistencia.
Ferrita: una fundición contendrá ferrita libre cuando el contenido de
silicio sea relativamente elevado, o bien si la velocidad de
enfriamiento en el molde fue baja.
La ferrita presenta una dureza y resistencia inferior a la perlita y
favorece la maquinabilidad.
Fundamentos teóricos

Cementita: la cementita o carburo de hierro es un constituyente
microestructural muy resistente al desgaste, duro, como
consecuencia, muy frágil. Afectará a la maquinabilidad.

1.3.1 Clasificación de las fundiciones grises.

a) Fundición gris perlítica.
Es un microconstituyente formado por capas alternadas de ferrita y
cementita compuesta por el 88% de ferrita y 12% de cementita,
contiene el 0.8% de C (en la figura 6.1a) su nombre se debe al
fenómeno óptico con el reflejo de la luz con algunos o todos los
colores de las perlas.

b) Fundición gris ferrítica.
En esta fundición la matriz es ferrita y todo el carbono que hay en la
aleación está en forma de grafito (ver figura 6.1c).

c) Fundición gris ferrítica-perlítica.
La estructura de esta fundición está formada por ferrita, perlita y
hojuelas de grafito.
En esta fundición la cantidad de carbono es menor que el 0,8 % de C
(ver figura 6.1 b).

Figura. 6 Microestructura de la fundición gris: a) fundición perlítica, tomada a 200X;
b) fundición ferritica - perlítica, tomada a 100X; c) fundición ferrítica, tomada a
100X.
Fundamentos teóricos

1.3.2 Tipos de grafito
La mayor parte del contenido de carbono en el hierro gris se da en
forma de escamas o láminas de grafito, las cuales dan al hierro su
color y sus propiedades deseables.
Existen distintos tipos de grafito laminar de solidificación. El grafito
puede observarse en el microscopio directamente sobre una probeta
pulida, sin necesidad de atacarla químicamente. Normalmente la
muestra se examina a 100 aumentos. Es así pues que podemos tener
los siguientes tipos de grafito laminar:

Grafito tipo A, (ver figura 7) suele ser el más comun, aparece en el
centro de las piezas de cierto espesor, fabricadas con fundiciones
grises ordinarias, de composición próxima a la eutéctica. Este tipo de
grafito es el que conviene para la fabricación de piezas para
maquinaria y es el que se obtiene y se venía obteniendo desde muy
antiguo en los cubilotes, trabajando sin precauciones especiales.

Grafito tipo B, (ver figura 7) aparece con porcentajes de silicio y,
sobre todo de carbono elevados, en piezas enfriadas rápidamente. Se
suele presentar en piezas delgadas de unos 10 mm de espesor,
coladas en arena.

Grafito tipo C, (ver figura 7) cuando la fundición tiene composición
hipereutéctica (%C + %Si / 3 + %P / 3, es superior a 4,25 %) la
solidificación comienza con la formación de grafito primario, en el
intervalo entre la temperatura del líquidus y la temperatura eutéctica.
Este grafito se desarrolla libremente en el interior del líquido, sin
obstáculos para su crecimiento, y proporciona láminas rectas cuyo
Fundamentos teóricos

espesor supera al que presentará el grafito eutéctico cuando llegue a
formarse. Este grafito primario recibe el nombre de grafito tipo C.

Grafito tipo D, (ver figura 6) este tipo de grafito tiene una distribución
aleatoria. Al igual que el grafito tipo E, se forma cuando se tiene
temperaturas de enfriamiento altas.

Grafito tipo E, (ver figura 6) se suele presentar cuando la fundición es
hipoeutéctica, es decir, cuando tiene bajo contenido en carbono. Dicho sea
de paso, requerirá más silicio para evitar el blanqueo o aparición de
ledeburita. Formándose también cuando la temperatura de colada es
elevada, como consecuencia de los fenómenos de subenfriamiento.

Figura 7. Clasificación de las láminas de grafito según la forma, tamaño y
distribución. Tipos de grafito que suelen aparecer en las fundiciones. a) Grafito tipo
A; distribución uniforme, orientación aleatoria. b) Grafito tipo B; las agrupaciones
en roseta, orientación aleatoria. c) Grafito tipo C; los tamaños de las escamas,
superpuestas, orientación aleatoria. d) Grafito tipo D; Segregación interdentritica,
orientación aleatoria. y e) Grafito tipo E; Segregación interdentritica, orientación
preferida.

Fundamentos teóricos

1.3.3 Propiedades mecánicas

El hierro gris es fácil de maquinar, tiene alta capacidad de templado y
buena fluidez para el colado, pero es quebradizo y de baja resistencia
a la tracción.

El hierro gris se utiliza principalmente en aplicaciones como bases o
pedestales para máquinas, herramientas, bastidores para maquinaria
pesada, y bloques de cilindros para motores de vehículos, discos de
frenos, herramientas agrícolas entre otras.

Tabla. I se muestra las propiedades mecánicas del hierro gris.

Clase
Resistencia a
la tracción-
(psi)
Dureza Brinell Estructura
20 24000 130-180 F,P
30 3400 170-210 F,P,G
40 44000 210-260 P,G
50 54000 240-280 P,G
60 64000 260-300 B,G

Fundamentos teóricos

Figura 8. Fundición laminar sin ataque a 100X

1.3.4 Elementos de aleación

Carbono.
El carbono baja las características mecánicas de las fundiciones, su
contenido se fija por compromiso entre 2,5 y 4 %. Las fundiciones
resistentes son de bajo carbono, por otro lado, el carbono reduce la
tendencia al temple, mejora la colabilidad y la exactitud del
moldeado.

Silicio.
Tal como se indicó, el silicio es un elemento grafitizante, fundamental
para las fundiciones grises, su contenido debe ser adoptado según la
sección de la pieza a fundir. Niveles normales de silicio en una
fundición varían entre 1 a 3,8 %. Contenidos crecientes de silicio
favorecen la estructura ferrítica y aumentan la dureza de la ferrita.
Azufre.
Este elemento se aporta a la fundición durante la fusión en el cubilote
por lo que no es posible evitar su aparición en la composición, su
contenido debe reducirse a cantidades pequeñas. El azufre forma con
el hierro un eutéctico Fe – FeS más rico en FeS (sulfuro de hierro),
sólido a 988 °C (975 °C en el sistema Fe – C – S). El sulfuro de hierro
Fundamentos teóricos

segrega en el limite de grano generando en la fundición dureza y
fragilidad, además es perjudicial porque obstaculiza la grafitización. El
manganeso permite fijarlo bajo la forma de sulfuro de manganeso
MnS ó MnS + FeS, cuya temperatura de solidificación es tanto más
elevada.
En presencia de Manganeso, el azufre tiende a formar sulfurosde
manganeso (MnS), en vez de sulfuros de hierro (FeS), el MnS suele
permanecer como inclusiones bien distribuidas por toda la estructura.

El azufre también tiene efectos sobre las propiedades del hierro
colado (en particular baja la fluidez). Así mismo el azufre juega un
papel importante en la nucleación del grafito. Por ello es importante
que el contenido de azufre sea balanceado con manganeso para
formar el sulfuro de manganeso; para esto se emplea normalmente la
Ec.1.
%Mn
≥
1,7
%S
+
0,3
%
(
1)

Manganeso.
El manganeso tiene la función esencial de fijar el azufre según la Ec.
1. Aparte de esto, el manganeso estabiliza la perlita y eventualmente
la cementita. El manganeso tiene un efecto contrario al del silicio, es
decir, impide la grafitización o mejor dicho favorece la solidificación
metaestable.

Fósforo.
El fósforo casi no tiene efecto en la grafitización,sin embargo es una
impureza útil en el hierro, puesto que mejora la fluidez. La fluidez
que otorga el fósforo al hierro se debe a la formación de un eutéctico
de baja temperatura de solidificación (950 °C), llamado comúnmente
esteadita. Se trata de un eutéctico ternario formado por austenita,
Fundamentos teóricos

cementita y fosfuro de hierro (Fe – Fe3C – Fe3P) a 2 %C y a 6,9 %P,
o eutéctico (Fe – Grafito – Fe3P). Reúne prácticamente todo el fósforo
de la composición, (1 %P – 14,5 % eutéctico ternario) y favorece las
segregaciones directas (elementos carburígenos). Aparece en las
juntas de las células y puede llegar a formar una red continua de
esteadita para un contenido en fósforo suficientemente elevado (P >
0,3
%).
En general, la esteadita se presenta cuando el contenido de fósforo es
mayor a 0,15 %. Altos niveles de este elemento pueden promover
porosidad por contracción, mientras que niveles bajos de fósforo
incrementan la colabilidad del metal dentro del molde. El fosfuro
eutéctico incrementa la dureza total y la resistencia al desgaste del
hierro colado. El nivel de fósforo en el hierro gris debe estar
aproximadamente en el rango de 0,02
a
0,10 %P.

Carbono equivalente.
Los elementos Si y P sustituyen una parte del carbono. El carbono
equivalente expresa cuantitativamente esta sustitución y permite
citar una fundición sobre el diagrama binario Fe – C para relacionarlo
con el eutéctico binario (Ceq = 4,3 %). Permite, por lo tanto, conocer
aproximadamente sus temperaturas de inicio y fin de solidificación,
evitando recurrir a incómodos diagramas ternarios. Así mismo, las
propiedades de las fundiciones se pueden expresar en función del
carbono equivalente.
Con un carbono equivalente igual a la del eutéctico la colabilidad es
máxima y la tendencia de la contracción es mínima, con el aumento
de carbono equivalente la tendencia al temple y la resistencia
mecánica disminuyen. El carbono equivalente es una noción cómoda
que permite traer de nuevo la metalurgia de las fundiciones sobre un
diagrama binario constituyendo una simplificación no rigurosa de los
Fundamentos teóricos

fenómenos. Sin embargo el concepto no es válido para contenidos
elevados de silicio.
Ceq=%C+%Si+%P/3 (2)

1.4 Fundición nodular

La fundición nodular, dúctil o esferoidal se produce, en su mayoría,
actualmente en hornos de inducción. La mayor parte del contenido de
carbono en el hierro nodular, tiene forma de esferoides. Para producir
la estructura nodular el hierro fundido que sale del horno se
nodulariza con una pequeña cantidad de materiales como magnesio,
cerio, o ambos. Esta microestructura produce propiedades deseables
como alta ductilidad, resistencia, buen maquinado, buena fluidez para
la colada, con adecuadas dureza y tenacidad.
Este tipo de fundición se caracteriza por que en ella el grafito aparece
en forma de esferas minúsculas y así la continuidad de la matriz se
interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar,
esto da lugar a una resistencia a la tracción y tenacidad mayores que
en la fundición gris ordinaria. La fundición nodular se diferencia de la
fundición maleable en que normalmente se obtiene directamente en
bruto de colada sin necesidad de tratamiento térmico posterior.
El contenido total de carbono de la fundición nodular es igual al de la
fundición gris. Las partículas esferoidales de grafito se forman
durante la solidificación debido a la presencia de pequeñas cantidades
de magnesio o cerio, las cuales se adicionan a la olla de tratamiento
antes de colar el metal a los moldes, la cantidad de ferrita presente
en la matriz depende de la composición y de la velocidad de
enfriamiento.

Fundamentos teóricos

Figura 9. Fundición nodular sin ataque a 100X

1.4.1 Elementos de aleación
Muchos de los elementos presentes en el hierro nodular han sido
clasificados por tener influencia sobre la microestructura los cuales
son:
1. Elemento primario: carbono, silicio, manganeso, azufre y
fosforo.
2. Elemento de aleación: níquel y molibdeno.
3. Elementos promotores de carburos y perlita: boro, cromo,
estaño y vanadio.
4. Elementos con propósitos especiales y residuales: aluminio,
bismuto, plomo, antimonio, etc.
5. Gases: hidrogeno, nitrógeno y oxigeno.

Níquel. Es adicionado con la finalidad de aumentar la dureza,
promueva la formación de una perlita más fina la templabilidad
especialmente cuando se realiza tratamientos térmicos de
austempering.

Cobre. Es un agente grafitizante y promotor de perlita.

Molibdeno. Es usado para incrementar la templabilidad en secciones
gruesas en donde se realiza tratamientos térmicos de austempering.
Fundamentos teóricos

Titanio. Se considera como un agente antiesferoidizante y promueve
la formación del grafito en forma vermicular.

Telurio. Promueve la formación de carburos, la combinación con
magnesio es similar al azufre formando el telurio de magnesio.

Plomo. En pequeñas cantidades afecta la estructura del grafito
esferoidal.

Aluminio. Promueva la formación del grafito vermicular.

Cromo. Es un formador de carburos y promotor de la perlita (el
vanadio presenta el mismo efecto).

Magnesio. Es un excelente desoxidante, por lo tanto, se produce
MgO el cual es estable y tiene una temperatura elevad de fusión, por
la baja densidad de MgO flota en la superficie de la fundición líquida.
incorporándose a la escoria. También el MgS tiene una solubilidad en
la fundición líquida, y baja densidad por lo cual flota a la superficie
incorporándose a la escoria.
El magnesio es un excelente modificador de la forma del grafito
durante la solidificación con pequeñas cantidades de Mg como por
ejemplo de 0.018% se presenta una estructura grafito esferoidal con
contenidos bajos de oxigeno y azufre.
En el proceso de nodularización se tiene un bajo rendimiento de
magnesio, esto se debe que a que tiene un punto de ebullición de
1107°C lo cual al tener contacto con la fundición líquida que esta
aproximadamente a 1500°C se volatiliza, a esta temperatura del
baño líquido la presión de vapor es de 9Kg/cm2.
Fundamentos teóricos

El magnesio se integra al seno de la solución fácilmente por que tiene
un bajo punto de ebullición es el cual causante principal de que se
difunda a lo largo del liquido a muy baja temperatura del metal
liquido y el limite de solubilidad, el magnesio se consume más
fácilmente.
El magnesio puede combinarse con oxigeno o azufre el producto de
estas combinaciones tiene un alto punto de fusión con lo cual flotara
en la superficie del material integrándose así a la escoria y al tener
un contenido mayor de azufre en la escoria que en el metal liquido,
este azufre se integra al seno del metal líquido teniendo como
consecuencia modificar la reacción de nodularización ya que se
necesita una pequeña cantidad de magnesio para poder obtener la
fundición vermicular.

1.4.2 Propiedades mecánicas

Las fundiciones nodulares perlíticas presentan mayor resistencia pero
menor ductilidad y maquinabilidad que las fundiciones nodulares
ferríticas.
Tabla II. Clasificación de la fundición nodular teniendo en cuenta sus
características mecánicas de acuerdo con la norma ASTM A-536.

Clase Resistencia
(psix1000)

Límite de
fluencia
Dureza
Brinell
Alargamiento
(%)
60-40-18 42000 28000 149-187 18

65-45-12 45000 32000 170-207 12
80-55-06 56000 38000 187-255 6
100-70-03 70000 47000 217-267 3
120-70-02 84000 63000 240-300 2
Fundamentos teóricos

1.5 Fundición vermicular

Fundición Vermicular o fundición con grafito compacto

Grafito compacto. Forma de grafito degenerado que consiste en
láminas gruesas con apariencia de gusanillo(del latín, vermiculus)
redondeado, usualmente como resultado de bajo magnesio residual.
La fundición de grafito compacto, también conocida como fundición
de grafito vermicular, reúne unas cualidades de elasticidad,
resistencia y conductividad térmica intermedias entre las fundiciones
grises y esferoidales (fundición nodular). Estas propiedades favorecen
su utilización en aplicaciones donde es imprescindible la transferencia
de calor junto con cierta resistencia y ductilidad, tales como bloques
de motores, colectores de escape, discos de freno para
aerogeneradores, etc.

Figura 10. Fundición vermicular sin ataque a 100X
Sin embargo, a pesar de ser una aleación conocida desde hace
décadas, su explotación nunca ha dado el salto cualitativo necesario
para convertirse en un material de referencia en el mercado. La
escasez de métodos consolidados de control de proceso, capaces de
garantizar una homogeneidad de estructura y propiedades físicas en
Fundamentos teóricos

las piezas fabricadas, ha provocado que se prefieran otro tipo de
calidades de fundiciones ferrosas.
Su problemática se encuentra asociada a las variaciones particulares
de los procesos productivos utilizados para la fabricación de la
fundición de grafito compacto. Habitualmente su elaboración se
realiza de manera similar a la obtención de hierro nodular: se
introduce Mg o Ce como elemento esferoidizante y se puede
incorporar algún elemento degenerador de grafito, como Ti o S.

El interés de producir fundiciones de grafito compacto o vermiculares
se centra principalmente en la combinación simultanea de dos
propiedades importantes en las fundiciones: resistencia mecánica,
especialmente en el campo perlítico, y la propagación de la energía:
calorífica (conductividad térmica como mas importante, a demás de
mecánica, eléctrica y acústica. La combinación de estas propiedades
es necesaria para diversas aplicaciones tales como: moldes,
componente de motores, lingoteras y otras.

1.5.1 Propiedades de las fundiciones vermiculares

Ventajas respecto a la fundición laminar
Ø Mayor resistencia mecánica, sin necesidad de utilizar elementos
aleantes.
Ø Una considerable ventaja en ductilidad y tenacidad, y como
consecuencia, un margen de seguridad mucho más alto contra
la fractura.
Ø Una menor susceptibilidad de corrosión y escamamiento
durante el servicio a altas temperaturas
Ø Una menor dependencia de propiedades en función del espesor,
lo que favorece reducciones en el peso a través del
adelgazamiento de la pared de la pieza.
Fundamentos teóricos

Ventajas respecto de la fundición nodular
Ø Menor coeficiente de expansión térmica.
Ø Mayor conductividad térmica.
Ø Mayor resistencia contra la fatiga térmica en ciclos de
temperatura muy rápidos (shock térmico).
Ø Mejores propiedades de colabilidad, y por consiguiente,
mayores posibilidades de obtención de piezas complicadas y
menor uso de elementos de alimentación.
Ø Menor contaminación en la producción

Propiedades mecánicas

Tabla III. Comparación de propiedades mecánicas de las tres principales
fundiciones

Tipo de
fundición
matriz Esfuerzo de
tensión
Modulo de
Young
Esfuerzo a
la fatiga
Dureza
HB
Esfuerzo de
fluencia al
0.2%MPa
Gris Perlitica 200-270 105-115 95-110 175-230 115-210
Nodular Ferritica 400-600 155-165 185-210 140-200 285-315
Nodular Perlitica 600-700 160-170 245-290 240-300 375-482
Vermicular Ferritica 330-410 130-150 155-185 130-190 240-305
vermicular perlitica 410-580 130-155 190-225 200-250 345-415

Tabla IV. Comparación de composiciones químicas de fundiciones gris, nodular y
vermicular.
Tipo de
fundición
Carbono total silicio fósforo Manganeso Azufre
Gris clase 25 3.3-3.5 2.2-2.4 0.20-0.50 0.50-0.80 0.08-0.13
Gris clase 30 3.2-3.4 2.1-2.3 0.15-0.30 0.50-0.8 0.08-0.013
Nodular 60-
40-18
3.0 min. 2.5 0.08
Vermicular
70% perlitica
3.6-3.8 2.1-2.5 0.20-0.04 0.005-0.022
Vermicular
100% perlitica
3.6-3.8 2.1-2.5 0.20-0.04 0.005-0.022

Fundamentos teóricos

Aplicaciones industriales de la fundición vermicular
Las aplicaciones industriales se han concentrado fundamentalmente,
en la industria automotriz.
Multiples de escape para vehículos de pasajeros y camiones, tapas de
cilindros, campanas y discos de frenos, blocks de motor.
Su buena capacidad para conducir el calor y su mayor resistencia
mecánica, han conducido a que en la actualidad se fabrique blocks de
motores disel un 15% mas livianos que los de fundición laminar.
También se ha reportado el uso de esta fundición para fabricar discos
de freno para trenes de alta velocidad.
La producción de matrices para vidrieras se encuentran sometidas a
múltiples esfuerzos termomecánicos, que producen fallas de
agrietamiento. Debido al someter el material a ensayos específicos de
frio y calor (ciclado térmico), y por desgaste.
Las matrices de fundición laminar habitualmente no alcanzaban una
duración de 150.000 ciclos.
En el caso de las matrices de fundición vermicular ensayadas, las
mismas participaron de dos campañas de 150.000 ciclos sin
problemas de agrietamiento.

Fundamentos teóricos

1.6 Fabricación de hierro vermicular

Selección de materia prima
- Retornos, alimentadores y piezas hierro gris
ó nodular: 50% de la carga del horno
- Aceros de bajo porcentaje de azufre: 20%
de la carga
- Ferroaleaciones
- Recarburantes

Balance de carga

Recálculo del balance Fusión
de carga

Descorificación

No Análisis químico, cumple
(espectrómetro de emisión atómica)

Tratamientos del metal liquido
a) Nodularización con FeSiMg
b) Inoculación con FeSi(75%Si)
que contiene pequeñas
cantidades de Ba, Ca Sr Zr

Moldeo en verde Vaciado ó colada
Temperatura de colada 1450°C

Desmoldeo

Limpieza de barras

Figura 11. Diagrama de flujo del proceso

Fundamentos teóricos

1.7 Hornos
La fusión para obtención de un hierro base apto para tratamiento con
magnesio que lleve a una estructura plenamente esferoidal o
vermicular ha de ajustarse a la consecución de los siguientes
objetivos:
1. Contenido final de carbono de 3,5 a 4,0%.
2. Azufre lo más bajo posible, preferiblemente menor de 0,01% y,
por supuesto, siempre inferior a 0,04%.
3. Temperatura, en el momento del tratamiento, superior a 1450 °C.
Estas condiciones pueden ser satisfechas por los siguientes hornos o
combinaciones de hornos:
a. Hornos de crisol basculante a gas o gasóleo, escasamente
utilizados.
b. Hornos de reverbero, prácticamente desaparecidos.
c. Hornos rotativos a gas o, cada vez menos, a gasóleo.
d. Cubilote operado con refractario básico.
e. Cubilote operado en jornada ácida pero en dúplex con unidad de
desulfuración y con horno de sobrecalentamiento.
f. Hornos eléctricos de arco y, sobre todo, de inducción.

Horno de Inducción.
La unidad de fusión más versátil es el horno eléctrico de inducción.
Salvo caso de piezas muy grandes, el horno de inducción es la
solución más difundida. Una buena elección actual es el horno de
inducción de crisol sin núcleo operando a frecuencia media o alta.
Básicamente, los hornos de inducción son equipos eléctricos queutilizan una corriente inducida para fundir la carga (material). Es
decir, consiste en una unidad de potencia o inversor que inyecta
corriente de frecuencia alterna a una bobina, la cual contiene una
sección de cobre reforzado y alta conductividad maquinada en forma
helicoidal; la corriente que pasa por la bobina forma un campo
Fundamentos teóricos

magnético. La fuerza y magnitud de este campo electromagnético
varía en función de la potencia y corriente que pasa a través de la
bobina y numero de espiras.
La energía calorífica se logra por efecto de la corriente alterna y el
campo electromagnético que genera corrientes secundarias en la
carga; el crisol es cargado con material, que puede ser chatarra,
lingotes, retornos, virutas u otros. Cuando el metal es cargado en el
horno, el campo electromagnético penetra la carga y le induce la
corriente que lo funde; una vez la carga esta fundida, el campo y la
corriente inducida agita el metal, la agitación es el producto de la
frecuencia suministrada por la unidad de potencia.

Figura 12. Horno de inducción sin núcleo

1.8 Chatarras
La chatarra de acero es material básico empleado para la preparación
de la fundición base que ha de sufrir el tratamiento nodulizante de
magnesio, debido a que es relativamente puro y con bajo porcentaje
de elementos perjudiciales, con un precio relativamente bajo en
Fundamentos teóricos

comparación con el arrabio. Una fuente de excelente acero para el
tratamiento es la chatarra de transformadores eléctricos, ya que
estos equipos se fabrican con un acero de muy bajo nivel de
impurezas teniendo la ventaja, además, de contener hasta un 2% de
silicio.
También puede ser adecuado el acero de construcción de buena
calidad, pero hay que vigilar y controlar su análisis. El contenido de
manganeso debe ser lo más bajo posible, por lo que a la hora de
comprar aceros de construcción, chapa naval o chatarra similar, el
contenido de este elemento es uno de los factores primordiales que
determinarán su idoneidad como materia prima para fundición
nodular. Las chatarras que se emplean en la fundición son:
Chatarras de aceros con bajo porcentaje de azufre, chatarras de
hierro y retornos

1.9 Ferroaleaciones
Las ferroaleaciones son conocidas como aquellas aleaciones de hierro
que poseen un elemento constitutivo además del carbón. Por lo
general, estas son de suma utilidad para mejorar las propiedades de
algunos metales como el acero.

Las ferroaleaciones más conocidas y que se utilizaron en este trabajo
son las de silicio, manganeso, se caracterizan por sus propiedades,
entre las cuales destacan:
• Resistencia a la corrosión
• Contrarrestar los efectos del azufre
Cuando se realiza desoxidación de la fundición estas se mezclan con:
magnesio, calcio, vanadio, boro, cobalto, fósforo, níquel, titanio,
entre otros.
Fundamentos teóricos

Ferro-silicio: Es una aleación con porcentajes variables de
magnesio, tierras raras, calcio y aluminio esta aleación de
propiedades nodulizantes, siendo utilizado para fabricación de hierro
nodular ó vermicular.
El elemento magnesio es el principal promotor del crecimiento de
nódulos de grafito en forma esferoidal en el hierro base El Silicio
favorece la grafitización del carbono de la fundición. Desoxida el
hierro y actúa como inoculante afinando y orientando la precipitación
del grafito con lo cual mejora las características mecánicas de las
piezas evitando el blanqueo.
Ferro-manganeso: Es muy utilizado en la producción de
prácticamente todo tipo de aceros y para la producción de hierro
fundido, la aleación ferromanganeso se añade normalmente al acero
para eliminar las burbujas de nitrógeno y reducir el oxido de hierro
que se forma durante el proceso.
Desulfura la fundición, perlitiza e incrementa la resistencia a la
tracción y la dureza.

Grafito y recarburantes: Los grafitos y recarburantes son capaces
de incorporar carbono al hierro es estado líquido, mejoran la
maquinabilidad gracias al grafito que actúa como lubricante, son
resistentes al calor y a la oxidación.
El porcentaje de recarburante que se añade, por término general, en
las fundiciones que producen hierro con grafito esferoidal y/o hierro
gris, oscila entre el 0,3 y el 1,3 %.
Este porcentaje tiene que ser lo suficientemente importante como
para que el carbono incorporado sea el necesario para poder alcanzar
Fundamentos teóricos

la resistencia a la tracción, al desgaste y al mecanizado deseado,
pero por otra parte, debe estar limitado por evidentes motivos
económicos y porque se tiene que evitar la contaminación producida
por el azufre y el nitrógeno que acompañan a los recarburantes
durante el proceso de fusión.
Por este motivo, podemos dividir los recarburantes en tres grupos
según calidades. Los recarburantes de alta calidad, con un contenido
de carbono superior al 98% y contenidos de azufre y nitrógeno
inferiores al 0,03%. En los otros dos grupos, recarburantes de calidad
media y calidad regular, el contenido de carbono es inferior, mientras
que los de azufre y de nitrógeno son más altos.

1.10 Tratamientos del metal líquido
• Nodularizacion
Los nodulizantes son aleaciones que contienen Silicio y
elementos como Magnesio, Cerio o Calcio y que promueven la
transformación del grafito laminar en esferoidal o vermicular
mejorando la resistencia mecánica, el alargamiento y la
resilencia del material.
Fundamentos teóricos

Figura 13. Se muestran diferentes métodos de nodularización
Fundamentos teóricos

Figura 14. Se muestran los pasos que se realizan durante la nodularización en el
método sándwich

Fundamentos teóricos

Proceso
Características
overpounring sandwich Campana
de
inmersión
Convertidor
fisher
inmold flotmret
Nodulizante FeNiMg FeSiMg Mg puro Mg puro FeSiMg FeSiMg
Contenido
de
magnesio%
4-20 3-10 100 100 3 3-5
Azufre % <0.060 <0.040 <0.080 <0.150 <0.010 >0.040
Efectos
negativos
del aire
Medio/alto Medio/alto Bajo/medio alto nulo Medio/alto
Eficiencia de
inoculación
baja irregular Baja/nula nula Alta baja
Costos de
inversión
nulo nulo bajo alto nulo Bajo
Facilidad de
implantación
sencilla sencilla Estación y
campanas
Convertidor
y equipo
Sólo para
serie larga
Preparación
de camara
Cantidad de
tratamiento
ilimitada ilimitada ilimitada <5 t Un molde
cada vez
ilimitada
Desventajas
de operación
Interferencia
de la escoria
falta de
reproducibilidad
Interferencia
de la escoria
falta de
reproducibilidad
Interferencia
de la escoria
Continuidad
de la
operación
Distribución
heterogénea
del
magnesio
Interferencia
de la escoria

Tabla V. Se muestra la comparación de los diferentes métodos de
nodularización.

Fundamentos teóricos

Inoculación.
La inoculación permite controlar la estructura y las propiedades
de la fundición de hierro mediante el aumento de núcleos de
cristalización que favorecen la formación de grafito laminar en
el caso de la fundición gris o grafito nodular en el caso de la
fundición esferoidal. La inoculación elimina la tendencia al
blanqueo y aumenta características como la resistencia
mecánica y la maquinabilidad. En el caso de la fundición
esferoidal incrementa también el número de nódulos y crea una
estructura más fina y homogénea en todo el rango de
secciones.
La elección del inoculante dependerá de condiciones como el
contenido inicial de azufre en el hierro, la temperatura, el
tiempo de desvanecimiento y el método de adición. La amplia
gama de inoculantes disponibles están basados en aleaciones
de ferrosilicio que contienen elementos como por ejemplo el
Calcio, Bario, Circonio, Aluminioy Estroncio cuyos efecto son:

Aluminio: Normalmente presente en el ferrosilicio y con bajo
efecto de inoculación que debe ser limitado al 1,5% para evitar
defectos en el caso de piezas moldeadas mediante el proceso
de moldeo en verde.

Bario: Los inoculantes que contienen Bario son interesantes
para tiempos largos de desvanecimiento o de solidificación
como es el caso de piezas con grandes secciones. Contenidos
de Bario por encima del 3% son innecesarios y pueden
provocar generación de escoria.

Fundamentos teóricos

Calcio: Elemento de potencia de inoculación media a menudo
adicionado en combinación con otros elementos como el
Aluminio y el Bario. Particularmente interesante para fundición
gris con cantidades bajas de azufre (0.03 0.05%) y fundición
esferoidal con secciones de tamaño medio.

Estroncio: Los Inoculantes con alrededor del 1% de estroncio
son muy efectivos para la fundición gris con medio y alto
contenido de azufre y piezas de espesor pequeño. En el caso de
la fundición esferoidal deberá limitarse a contenidos menores
del 1% de Tierras raras en los nodulizantes.

Circonio: Los inoculantes con circonio tienen muy buenas
propiedades de inoculación y resistencia al desvanecimiento.
Son también muy interesantes como neutralizadores de
nitrógeno.
En los tratamientos del metal líquido, el hierro es sujeto a una
inoculación final, a veces llamada post-inoculación. Es comúnmente
llevada a cabo en una olla de tratamiento usando un inoculante
granular, el cual puede ser ferrosilicio comercial conteniendo 75% de
Si o un rango de las mismas aleaciones conteniendo 60 a 80% de Si.

La inoculación reduce el subenfriamiento durante la solidificación y
ayuda a evitar la presencia de carburos en la estructura,
especialmente en secciones delgadas. Esto aumenta el número de
nódulos de grafito, mejorando así la homogeneidad, asistiendo en la
formación de ferrita y promoviendo la ductilidad. Esto ayuda a reducir
el tiempo de recocido y reduce la dureza.
El efecto de un inoculante es mayor cuanto antes se disuelva,
después de lo cual éste se va desvaneciendo en un período de 20 a
Fundamentos teóricos

30 minutos. Como la potencia inicial, influenciados por pequeñas
partículas de elementos, entre los cuales se incluyen calcio, aluminio,
cerio, estroncio, bario y bismuto.
La adición tardía de un inoculante a medida que el metal se
comienza a colar es mucho más efectiva y puede ser logrado por la
colocación de inoculante granular en partículas en el molde en una
extensión del mismo o en una cámara especial del sistema.
Desarrollo Experimental
45

CAPITULO II.
DESARROLLO EXPERIMENTAL.

El trabajo que se presenta se desarrolló en las siguientes etapas:
1. Construcción de la olla para el tratamiento del metal líquido
(Método Sándwich).
2. Preparación de la mezcla de arena de moldeo y moldeo.
3. Proceso de fusión, el cual involucra la técnica de fusión.
4. Evaluación metalográfica de las piezas.

2.1 Material y Equipo.
El equipo que se utilizó fue el siguiente:
ü Horno de inducción de 75 KWatts, con capacidad de 100 Kg
con bobina para materiales ferrosos.
ü Balanza analítica
ü Pirómetro de inmersión
ü Olla de tratamiento del metal líquido (método sándwich) con
capacidad de 18 kg
ü Espectrómetro de emisión atómica marca SPECTRO
ü Molde permanente para obtener muestra para análisis
químico
ü Molino chileno con capacidad de 20Kg
ü Apisonadora neumática fuji modelo FR-25SB
ü Modelo metálico en forma de barra cilíndrica
ü Microscopio metalográfico.
ü Analizador de imágenes.
ü Cortadora de disco marca Buehler LTD
ü Desbastadora
ü Pulidora marca Metaserv
ü Maquina de soldar
ü Esmeril
Desarrollo Experimental
46

El material empleado fue el siguiente:
Para la fusión (materiales para olla y horno de inducción)
ü Pintura de zirconio
ü Fibra moldeable
ü Refractario
ü Electrodos
ü Lamina de acero
Tabla VI. Materias primas de la carga. Composición química.

%C %Si %Mn %S %P
Acero 1 0.1106 0.0183 0.3924 0.0102 0.0228
Acero 2 0.0521 0.0111 0.3881 0.0185 0.0185
Hierro colado 1 3.470 2.607 0.3382 0.0239 0.0179
Hierro colado 2 3.769 1.533 0.2923 0.0301 0.0100
Hierro colado 3 3.002 2.037 0.576 0.0237 0.0237

Materias primas de ajuste de la composición química de la
carga.

Tabla VII. Recarburante con la siguiente composición química.

%Carbono %Cenizas %Azufre
99.8 0.1 0.008

Tabla VIII. Ferrosilicio (FeSi), con la siguiente composición química.

%Fe %Si % Zr %Ca %Mn %Al
23.5 65 5 1.5 3.5 1.5 Max
Desarrollo Experimental
47

Ferromanganeso (FeMn), con la siguiente composición
química:

% Fe % Mn
27.8 72.2

Escorificante: silicato de sódio granulado.

Materiales para los tratamientos del metal liquido:

Tabla IX. Nodulizante (FeSiMg) con la siguiente composición química.

Nodulizante % Mg % Si % Ce % Ca % Al % Fe
1 4.75-6.25 44.0-48.0 0.5-0.7 1.0 0.7 46.2
2 8.56 44.70 0.47 1.27 0.67 44.33

Tabla X. Inoculante (FeSi) con la siguiente composición química.

% Si % Zr % Ca % Mn % Al % Fe
65 5 1.5 3.5 1.5 Max 23.5

En el desarrollo del presente trabajo se trató de buscar, por lo
general, la siguiente composición química, la cual se presenta en la
Tabla XI
Tabla XI. Composición química requerida

%Cequivalente %C %Si %Mn %S %P %Mg
4.47 3.63 2.52 0.39 0.016 0.01 0.021

Desarrollo Experimental
48

Materiales para el moldeo
ü Harina de madera.
ü Arena silica (granulometría)
ü Agua
ü Bentonita sódica
ü Bentonita cálcica

ü Carbón marino
ü Mogul.

Materiales para la evaluación metalográfica
ü Nital 3
ü Alcohol
ü Paños de pulido
ü Alúminas
ü lijas de desbaste

2.2. Etapas del procedimiento experimental
ETAPA 1
Construcción de la olla para el tratamiento del metal líquido (Método
Sándwich)
La construcción de la olla consistió en lo siguiente:
Con una esmeriladora y su disco de corte se realizaron los cortes en
una lámina de acero que dieron forma a la base y las paredes, Fueron
acopladas y “punteadas” las placas, el término “puntear” significa que
solo es colocado un punto de soldadura en la superficie a soldar.
Antes de comenzar a soldar es importante haber realizado este
proceso en todas las regiones, ya que por el efecto del calentamiento
el acero sufre deformaciones, de modo que las áreas que no tienen
Desarrollo Experimental
49

puntos de soldadura quedan dobladas y/o fuera de lugar. Ya unidas
las partes de la lamina de la olla se generan los cordones de
soldadura. Los cordones de soldadura fueron situados de manera
uniforme y constante en forma de zigzag. La escoria generada fue
retirada con la utilización de un cincel y un cepillo de alambre.

2.2.1 Incorporación del refractario
Para la formación de las cavidades de la olla de tratamiento, fue
necesario rellenar con refractario El refractario fue hidratado hasta
obtener una consistencia pastosa y se fue colocando en las paredes
de la olla hasta formar un espesor de seis centímetros. Antes de
cubrir los últimos cinco centímetros, se colocó una preforma para el
escalón, después se completó la adición de refractario y su
respectivo compactado. Finalmente fue retirada la preforma. Debido a
la gran cantidad relativa de agua empleada y con la finalidad de
evitar que colapsara el refractario instalado, fue necesario dejarlo
secar a temperatura ambiente por un periodo de 30 días.

Una vez “seco” el refractario, se observó que éste había sufrido una
contracción global, por lo que quedó separado de la coraza de metal,
esto fue corregido al agregar refractario molido a través de las
hendiduras, que a su vez, fueron selladas con barro refractario.
La contracciónque presentó el refractario causó algunas grietas
pequeñas que fueron reparadas humedeciendo la zona afectada,
abriendo la grieta e incorporando material refractario nuevo.
Las dimensiones de la olla de tratamiento se muestran en la figura
siguiente:
Desarrollo Experimental
50

Figura 15. A) Corte lateral B) Vista superior del fondo o base, el segmento de
color gris indica el escalón. Relación H/D = 2.3

ETAPA 2
2.2.2 Preparación de la mezcla de arena de moldeo y moldeo.
La fundición en arena es el proceso más utilizado, la producción por
medio de este método representa la mayor parte del tonelaje total de
fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de
hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales
con altas temperaturas de fusión, como son el acero, el níquel y el
titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy
grandes
Los moldes de arena en verde se hacen de una mezcla de arena,
arcilla y agua, el término "verde" se refiere al hecho de que el molde
contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena
verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones,
así como buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización, también
son los menos costosos. Por consiguiente, son los más usados,
aunque también tienen sus desventajas. La humedad en la arena
Desarrollo Experimental
51

puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal
y de la forma geométrica de la pieza.
La composición de la mezcla de la arena de moldeo que se utilizó
para la elaboración de los moldes fue la siguiente:
1 % harina de madera
2 % mogul
4 % carbón marino
3.5 % humedad
Arena sílica 40-45, resto
El procedimiento de mezclado y la incorporación de los aditivos se
efectuaron de la siguiente manera:
La base de cálculo de la mezcla total fue de 50 kg. lo cual
corresponde a 0.5 kg de harina de madera, 1 kg de mogul, 2 kg de
carbón marino, 1.75 litros de agua y 44.75 kg de arena.

El método de preparación de la mezcla de arena consistió en agregar
al molino chileno primero la arena e inmediatamente el agua dando
un tiempo de mezclado de 2 minutos, después se agregaron los
demás aditivos dando un tiempo de mezclado de 3 minutos para
totalizar un tiempo de mezclado de 5 minutos. Por ultimo la mezcla
se extrae del molino para ser utilizada para la fabricación de los
moldes.

Moldeo
El modelo empleado y sus dimensiones, para producir la pieza
deseada se muestra en la Figura. 16
Desarrollo Experimental
52

Figura 16. Modulos y dimensiones del modelo utilizado.
Cálculo del volumen de la pieza:
Modulo 1

Modulo 2

Desarrollo Experimental
53

Modulo 3

Una vez preparado el modelo, se coloca en una caja especial,
denominada caja de moldeo. Tras ello, se llena de arena de moldeo y
se apisona para compactar dicha arena. Después se extrae el modelo
y quedando en la arena un hueco que reproduce la forma de la pieza,
es decir, el molde. Esa extracción debe estudiarse previamente y
hacerse de forma metódica.
Una vez retirado el modelo, se puede verter el metal fundido en el
molde por la parte superior llenándolo por completo. El siguiente paso
consiste en dejar enfriar el molde hasta que el metal solidifique
totalmente y alcance la temperatura ambiente, momento en el cual
se deshace el molde, se extrae la pieza y se procede a limpiarla de
arena adherida, obteniendo la pieza final.

Desarrollo Experimental
54

Figura 17. Se observa como se recubre el modelo con arena, presionando
fuertemente para que toda la arena quede compactada. Se abre el molde y se
extrae el modelo de su interior.

Figura 18. Modelo utilizado para la fabricación de la pieza

ETAPA 3.
2.2.3 Proceso de fusión, el cual involucra la técnica de
fundición.

Es un procedimiento fundamental dentro del proceso de fundición.
Esta técnica consiste en una serie de pasos que hay que efectuar
durante la fusión para obtener un metal liquido libre de gases,
escorias, etc. a una buena temperatura con una alta velocidad de
fusión, lo cual con lleva a que las piezas fabricadas tengan las
propiedades requeridas.

Desarrollo Experimental
55

La presente técnica de fusión se desarrolló conforme a las
necesidades y funciones que se requirieron durante el proceso:

Técnica de fusión empleada:
• Cálculo de cargas: el balance de cargas se realizó de acuerdo
a la metodología: mostrada en apéndice 1.
• Preparación y limpieza de la materia prima:
• Acondicionamiento y precalentamiento de la materia prima
• Secuencia de carga
• Alcanzar temperatura de trabajo (T =1470 – 1500°C)
• Desescorificación
• Análisis Químico preliminar, y si se requiere se realiza el
ajuste de la misma.
Medir la temperatura de colada (T=1570-1600°C) para proceder al
vaciado del horno.

La secuencia de carga diseñada para el horno de inducción fue la
siguiente:

1) Hierro colado 50%
2) Tubo de acero 20%
3) Recarburante 5%
4) Hierro colado 10%
5) Tubo de acero 15%

Desarrollo Experimental
56

Figura 19. Secuencia de carga que se realizo durante al fusión.

Una vez obtenido el metal fundido con la composición química
requerida se procede a realiza los tratamientos del metal líquido

Tratamientos del metal líquido

La inoculación consiste en adicionar al metal liquido un agente
inoculante (FeSi), este permite crear muchos sitios de nucleación
dentro del metal fundido para que durante la solidificación eutéctica
el sobreenfrieamiento sea menor, lo que disminuye la tendencia a
formar carburos, favoreciendo la precipitación del grafito libre y la
formación de una microestructura de grafito laminar de tipo A de
tamaño pequeño.
En la post inoculación el inocualante no se adiciona a la olla de
tratamiento, sino se adiciona al contacto con el metal ya sea en el
chorro del metal antes de entrar al molde o al interior de éste, en
donde el inoculante es posicionado dentro de cámaras a lo largo de
los canales del sistema de calada, en estos métodos el inoculante se
disuelve en el metal liquido.

Inoculación temprana es aquel tratamiento que se efectúa del horno
a la olla de colada.
Desarrollo Experimental
57

ETAPA 4
2.3 Evaluación metalográfica de las piezas.

El desarrollo de la caracterización y evaluación metalográfica se
describe a continuación.
Las barras fueron extraídas de los moldes, sucesivamente se
limpiaron de partículas de arena mediante la utilización de un cepillo
de alambre; luego fueron llevadas a la máquina de corte, donde
fueron seccionadas de manera transversal, se seleccionó una área de
corte representativa de la pieza fabricada (ver figura 3.3), haciendo
lo mismo para todas las piezas, con el fin de que la muestras sean
manipulables, además las muestras generadas, así como las barras
fueron identificadas mediante leyendas que incluían fecha y número
de fusión, y tipo de hierro fabricado entre otros.

Las muestras para metalografía fueron llevadas inicialmente a
desbaste grueso para eliminar trazas de rebaba, zonas filosas y
planos adicionales sobre la superficie a pulir. Después se procedió al
desbaste fino con lijas No. 240, 320, 400 y 600 y cada vez que se
pasaba la muestra de una lija a otra, ésta se giraba en un ángulo de
90°. Posteriormente fueron llevadas a los pulidos grueso y fino, en
donde se pulieron con alúmina (Al2O3) de tamaños de partícula de 1 y
0.3 micrones con paños canvas y microcloth (Buehler)
respectivamente hasta espejo, al terminar el pulido, fueron

enjuagadas con agua para retirar el exceso de alúmina y enseguida
se limpiaron con alcohol para desplazar al agua y evitar que se
oxidara la superficie. Por último se atacaronlas muestras con Nital 3
Evaluación metalográfica
58

y fueron llevadas al analizador de imágenes para determinar el tipo
de matriz y el tipo de carbono grafito así como el porcentaje de éste.

Figura 20. Zona de corte en la barra para la evaluación metalográfica (A) barra
completa (B) corte horizontal de la barra.

Resultados y discusión
59

CAPITULO III.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Metalografía y Evaluación
Después de haber realizado las fusiones con los mismos niveles de
magnesio obtenidos en las piezas fabricadas, se procede a efectuar la
metalografía correspondiente para cada corrida.
Para la metalografía se utilizan las barras cilíndricas (figura 3.3) a la
cual se le hace un corte transversal para poder llevar a cabo dicho
estudio.
Y se uso la técnica convencional de preparación metalográfica y
revelado de la estructura con nital 3.
Cuando se ha llevado a cabo la metalografía se procede a evaluar la
microestructura de la muestra con ayuda de patrones. La evaluación
consiste en los siguientes puntos:
i. proporción de grafito vermicular de cada corrida.
ii. Tipo de matriz.

Resultados.
Durante todas la fusiones desarrolladas en este trabajo se trató de
mantener constantes algunos parámetros. Por lo general se
trabajaron las mismas condiciones de temperatura de trabajo,
temperatura de vaciado y temperatura de tratamiento, así como el
tiempo de reacción del nodulizante, Tabla. XII

Resultados y discusión
60

Tabla XII. Parámetros de trabajo.

Temperatura de
trabajo (°C)
Temperatura de
vaciado (°C)
Temperatura de
tratamiento (°C)

Tiempode reacción
Nodulizante (s)

1450-1500 1570-1590 1410-1425 60

Composición química final de los hierros fabricados
A continuación se muestran las composiciones químicas finales de
cada una de las corridas, así mismo se indica el carbono equivalente
(CE) para cada corrida.

Tabla. XIII. composición química del material obtenido en la corrida 1

%C %Si %Mn %S %P %Mg %CE
3.632 2.206 0.3633 0.0164 0.0204 0.0221 4.32

Tabla XIV. Composición química obtenida en la corrida 2

%C %Si %Mn %S %P %Mg %CE
3.389 2.729 0.4350 0.0211 0.0203 0.0287 4.30

Tabla XV. Composición química obtenida en la corrida 3

%C %Si %Mn %S %P %Mg %CE
3.417 2.511 0.3911 0.0186 0.0253 0.0197 4.26
Resultados y discusión
61

Metalografía.

A continuación se presentan las microestructuras obtenidas en cada
corrida. Se observa el tipo de grafito el cual se debe observar sin
ataque

Corrida 1

Figura 21. Se observa la microestructura pulida de fundición vermicular en la cual
se destacan láminas gruesas con apariencia de gusanos, 50X.

Figura 22. Fundición vermicular, se observa ya la presencia de laminillas en forma
de gusanos y esferoides de grafito, 200X.
Resultados y discusión
62

Corrida 2

Figura 23. Se nota la microestructura de la fundición vermicular, se observa que
hay mayor porcentaje de esferoides de grafito que grafito vermicular.

Corrida 3

Figura 24. Se puede observar que hay mayor concentración de vermiculos de
grafito.

Figura 25. A mayor aumento los vermículos de grafito Se observa mejor las
puntas redondeadas que son características en esta fundición.

Resultados y discusión
63

Evaluación de las matrices
Corrida 1

Figura 26. La microestructura exhibe vermículos y nódulos de grafito rodeados de
aureolas de ferrita sobre una matriz de perlita. El reactivo de ataque fue nital 3.

Corrida 2

Figura 27. En la microestructura se observan vermículos y nódulos de grafito,
en su mayoría nódulos rodeados de aureolas de ferrita sobre una matriz de perlita.
Reactivo de ataque: nital3.

Resultados y discusión
64

Corrida 3

Figura 28. Se observa mayor cantidad de vermículos que nódulos de grafito
rodeados de aureolas de ferrita sobre una matriz de perlita, Nital 3.

Tabla VI. Se presentan los resultados del porcentaje de la matriz, perlita y ferrita,
de las tres corridas.

% perlita-%ferrita % nodularidad
Corrida 1 50-50 21
Corrida 2 75-25 72
Corrida 3 75-25 3

3.2 Discusión de Resultados
Los resultados visualizados para las corrida 1 y 2 en el microscopio
muestran que las partículas de grafito no están homogéneas en lo
que respecta a forma, tamaño y número de partículas, ya que se
observa que tienen 21 y 72% de nodularidad respectivamente
mientras los resultaron favorables fueron para la corrida 3 con un
porcentaje de nodularidad de 3% y en ellos se observa claramente
las formas características del grafito compacto (gusanos), además de
que hay mejor homogeneidad.

Resultados y discusión
65

• El porcentaje de magnesio residual que fue favorable para la
formación de vermículos fue de 0.0197% Mg (corrida 3) ya que
las características que se buscan en este tipo de fundición
fueron

adecuadas tanto en forma como en tamaño y densidad de
vermículos.

• El tipo de matriz que se genero en las corrida 2 fue perlitica
con un porcentaje de 75 % de perlita y 25% de ferrita.
• El tipo de matriz que se genero en la corrida 3 fue de 75 %
perlita y 25 % ferrita.
• En cuanto a la corrida 1 en porcentaje fue de 50% de perlita y
50% de ferrita. Esto depende principalmente del porcentaje de
carbono y silicio ya que en la corrida 1 el porcentaje de carbono
resulta mayor que en las corridas 2 y3 y con respecto al silicio
resulto inferior el porcentaje en la corrida 1 que en las dos
corridas posteriores.
• Se definió para éste trabajo que el nivel adecuado de
nodularidad es de 3%.

Para definir si una fundición era vermicular o no de acuerdo al
porcentaje de nodularidad del grafito, se determinó el porcentaje de
nodularidad con los patrones de imágenes que se presentan del
anexo II.
A manera de comentario deseo agregar que este tipo de aleaciones
son utilizadas en países industrializados con gran éxito debido a que
ofrece menores costos de fabricación y altos desempeños para
aplicaciones automotrices, maquinarias pesadas ya que minimizan la
vibración, el ruido, son auto lubricantes, más duros, menos frágiles
Resultados y discusión
66

etc. Con lo que sus aplicaciones son variadas y lo mejor de todo es
que pueden obtenerse controlando cantidades pequeñas de material
y en consecuencia menor costo.

Conclusiones
67

CAPITULO IV.
CONCLUSIONES.

Con base a los datos reportados, se puede concluir que:
• Efectivamente el contenido de magnesio es determinante para
la formación del grafito compacto contenido en una aleación de
hierro carbono.
• Para las corridas que se realizaron se pudo determinar el
rango adecuado de magnesio residual para producir hierro
vermicular. Éste se encontró entre el 0.0197% y 0.024% de
magnesio.
• El tipo de matriz que se genero en las corrida 1, 2 y 3 fueron
perlitica-ferriticas.
• El manganeso definió para este hierro vermicular el tipo de
matriz. Los niveles de manganeso residual dieron como
resultado la formación de una matriz perlitica-Ferrítica.
• Es posible utilizar el metódo sandwich para el tratamiento de
nodularización y de ésta forma obtener una fundición
vermicular.

• La morfología del grafito compacto depende en gran medida de
los contenidos de Mg.

Bibliografía
68

Bibliografía

1. Heine, Richard W Loper jr & Carl R. Rosenthal, Philip C.
Principles Of Metal Casting, 2a Edition, USA, 1967, pp 49-1 648

2. American Society for Metal, Compacted