Producción de hierro fundido con el grafito esferoidal en las condiciones de un taller de fundición pequeño

1. Resumen
3. Desarrollo
4. Conclusiones
5. Recomendaciones
6. Bibliografía
7. Anexos

Resumen.

El presente trabajo consta de un resumen teórico sobre los principales aspectos que intervienen en la producción del hierro fundido con el grafito esferoidal que sirvió de base para demostrar la factibilidad de producción de hierro fundido con el grafito esferoidal en las condiciones de pequeñas fundiciones en Cuba. Los principales aspectos tratados están relacionados con la composición del metal base para realizar la nodulización donde se tienen en cuenta aspectos tales como el valor del carbono equivalente, el contenido de manganeso y como aspecto mas importante el contenido del azufre en este metal base. Se dan aspectos relacionados con el cálculo de carga, la cantidad de magnesio a inocular en función de la cantidad de azufre, la cantidad del magnesio residual y el grado de aprovechamiento del mismo. Se incluyen además resultados de las primeras prueba realizadas (micro estructura y probeta flexionada).

Palabras claves:

Hierro nodular, talleres de fundición

Introducción.

La producción del hierro con el grafito esferoidal se comienza a usar alrededor de los años 50 y a partir de ese momento ha comenzado un uso generalizado del mismo en la industria de la fundición hasta el punto en que ha desplazado al acero en muchos usos y al hierro maleable y el hierro gris para un ejemplo de esto le podemos decir que si en los EE.UU. en el año 1965 el % de hierro nodular solo era de un 2% en el 2002 su valor representa un 31 %.

En Cuba son pocos los talleres de fundición que son capaces de aplicar esta tecnología, sin embargo en talleres de fundición pequeños pero con equipamiento requerido pensamos que fuese posible desarrollar esta tecnología con vistas a permitir una mayor diversidad en la producción de dichos talleres de fundición.

Para desarrollar la tecnología no dimos a la tarea en primer lugar de realizar una recopilación bibliográfica sobre los principales aspectos que influyen en la obtención con éxito del hierro fundido con el grafito esferoidal y posteriormente a la realización de la pruebas en el taller.

Desarrollo.

Durante la recopilación del material bibliográfico se pudo constatar que a pesar de ser una tecnología conocida aun no esta clara la teoría de cómo se forma el grafito de forma esferoidal y que entre los aspectos fundamentales a tener en cuenta al proceder a su fabricación se encuentra en primer lugar la composición del metal base para la realización del proceso de nodulización, el cual debe tener entre otras cosas un adecuado valor del carbono equivalente el cual en función del espesor de la pieza producir lo podemos escoger en el siguiente grafico.

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Otro de los aspectos importantes lo es el contenido de manganeso ya que su contenido como es conocido es un formador de carburos por lo que en este caso es necesario su control estricto sobre todo si se pretende la obtención de hierro con matriz ferrítica para lo cual se puede anular su efecto mediante la introducción del silicio calculado según el siguiente grafico.

En este grafico se supone implícitamente que la elección del contenido de manganeso es independiente del tipo de matriz deseado. Debe servir solamente para un fin: la ausencia de carburos en estado bruto de colada.

El estudio del grafico pone de manifiesto otras características interesantes del efecto del contenido de manganeso. En las piezas delgadas, de paredes de hasta ligeramente más de 25 mm, la tendencia del manganeso a promover carburos puede neutralizarse eficazmente aumentando el contenido de silicio. Tanto más cuanto más delgada sea la pieza. En las piezas con paredes de un espesor de 12 mm el aumento de contenido de silicio de 2,5 a 3,0 % permite aumentar el contenido de manganeso desde 0,25 a 0,35 % aproximadamente. Las piezas más gruesas no permiten el mismo aumento de manganeso, debido a la segregación.

El manganeso segrega preferentemente en el líquido, tanto más cuanto más lento sea el enfriamiento. Más tarde se verá que con un contenido medio de manganeso del 0, 04 %, el último hierro en solidificar puede contener hasta 2,5 % de Mn o más. En estas secciones de espesor medio y grande el silicio no es útil, porque éste segrega inversamente, es decir, en el primer hierro que solidifica.

El otro elemento y mas importante en la composición del metal base lo es el azufre el cual debe estar lo mas bajo posible pues un valor alto conlleva al gasto de una cantidad mayor de magnesio, el inoculante mas empleado para la obtención del grafito nodular generalmente se recomienda que su valor este en el metal base por debajo de 0.02%.

Ahora bien además de la composición del metal base, para la obtención del hierro nodular se necesita el nodulizante dentro de los cuales podemos encontrar varios como son el magnesio, el cerio y las tierras raras sin embargo el mas empleado es el magnesio en forma de aleación con bajo contenido de magnesio pues el magnesio tiene una temperatura de ebullición baja al igual que su temperatura de inflamación por lo que aunque en los inicios se empleo puro ya en la actualidad se emplean las aleaciones con bajo contenido de magnesio como metales para la aleación se emplean el ferro silicio, el níquel, el cobre etc.

Otro de los aspectos a tener en cuenta es el contenido de magnesio a introducir el la aleación el cual debe ser capaz de disminuir al azufre a niveles abajo pero además es necesario que quede un determinado contenido en el metal base que permita la nodulización del grafito en forma esferoidal.

Para determinar entre muchas otra se propone la formula siguiente:

Mg res: Magnesio residual el cual oscila entre 0.05 y 0.08%, aunque existen otras teorías que afirman que la cantidad optima esta entre 0.03 y 0.06% otros dan como rango entre 0.03 y 0.12 aclarando que con 0.06 se obtienen las mejores propiedades mecánicas

S1: Azufre antes del tratamiento. Debe ser el menor posible (0.02%)

S2: Azufre después del tratamiento, generalmente este valor se asume como 0.01.

n: rendimiento de la incorporación del Magnesio, el cual depende de la temperatura a la cual se introduce y del contenido del magnesio en la aleación.

Existen varios métodos de introducción del magnesio en la cazuela pero uno de los más empleados es el método sandwich que se muestra esquemáticamente en la siguiente figura.

Según las recomendaciones el tiempo de reacción debe estar entre 90 y 150 seg, además la cazuela debe tener una altura superior a dos veces el diámetro.

Posteriormente es necesaria la inoculación con el objetivo de evitar el blanqueamiento y para aumentar la vida del proceso de nodulización.

La colada se debe realizar lo más rápido posible para evitar se pierda el efecto de la nodulización y que el metal pierda temperatura.

Realización de la parte experimental.

La parte experimental se realizó en las condiciones del taller de fundición Román Roca en la ciudad de Santa Clara, Villa Clara, Cuba, el cual posee un horno de inducción de frecuencia media de 2 toneladas de capacidad con revestimiento monolítico ácido a base cuarcita.

Calculo de la carga para el horno como en el taller no tenemos arrabio especial con bajo contenido de azufre y manganeso fue necesario la utilización de la chatarra de acero aunque eso nos lleve al uso de grafitizantes y al uso de ferrosilicio para lograr el contenido deseado. El calculo se realizó tendido en cuenta que el azufre fuese lo más bajo posible pues no tenemos la posibilidad de eliminar este elemento en le proceso de obtención de la aleación.

La chatarra que se posee es la siguiente:

Para el cálculo se parte de que el carbono equivalente para las piezas a producir es de 4.5 pues las piezas a producir son de 25mm de espesor aproximadamente, para este espesor y con los contenidos probables de manganeso se necesita como mínimo un contenido de silicio de 3% según la grafica del contenido de manganeso pues esto evita como se dijo anteriormente el blanqueamiento de la aleación.

Teniendo en cuenta lo anterior se propone la siguiente composición:

C = 3.5%; Si =3.0%; Mn = 0.46 % max; P< 0.1%; S< 0.08%.

Se tomó como composición inicial para la conformación de la carga la siguiente:

31% de arrabio.

25% de acero CT-3.

44% de block de tractor.

Esto garantiza la siguiente composición:

C = 2.7%; Si =1.32%; Mn = 0.49 %; P = 0.11%; S = 0.05%.

Como se ve fue necesario el ajuste del carbono y el silicio no así los demás elementos los cuales quedaron de esa forma.

Para esto se añaden al metal:

17 kilogramos de electrodo.

35 kilogramos de ferro silicio al 75 %.

La cantidad total de electrodos se añade toda al inicio con la carga metálica y el ferro silicio se añade la mitad al inicio y el resto después del análisis Express.

Para las pruebas se ha utilizado como nodulizante el ferro silicio magnesio con un contenido de 7 % de Magnesio.

La cantidad se ha determinado considerando un magnesio residual de 0.06 para la obtención de las mejores propiedades y considerando como azufre final un contenido de 0.01%, el % de aprovechamiento teniendo en cuenta la temperatura, el metodote introducción del magnesio y la cantidad de magnesio en la aleación; en nuestro caso se tomo como valor 35 % reaprovechamiento.

La cantidad calculada de magnesio se intro9dujo en una cazuela que se preparo con un escalón similar a la de la figura mostrada en este trabajo o sea se utilizó el método Sandwich.

Para el vertido de la aleación se empleo una cazuela con un sifón y en las dos primera pruebas se inoculo directamente en las pequeñas cazuelas que se emplearon para el vertido de los moldes en la tercera prueba se inoculo en otra cazuela, después de la nodulización se paso a otra cazuela con el objetivo logra un mejor mezclado del inoculante y lograr un metal más limpio.

Los resultados de las pruebas se muestran en las siguientes micro estructuras(anexo 1), donde se puede observar que no toda la estructura tiene el grafito en forma de esferoides y esto según nuestro criterio obedece a que la cantidad de metal a inocular se excedió y por tanto no de garantizó el magnesio residual necesario, el cual además en el control realizado del magnesio residual se vio que estaba por debajo de los parámetros recomendados; en la segunda prueba ya se tomaron medidas y los resultados se muestran en la segunda micro estructura, pero además en el control del magnesio residual se obtuvo un valor dentro de los recomendados (0.045).

Conclusiones.

Del trabajo realizado se puede concluir lo siguiente:

• Que la bibliografía recopilada permite el establecimiento de los parámetros necesarios para la obtención del hierro fundido con el grafito esferoidal.
• Que en las condiciones del taller Román Roca es posible la obtención del hierro fundido con el grafito esferoidal.

Recomendaciones.

Establecer los parámetros tecnológicos para la obtención de piezas con la calidad necesaria.

Bibliografía.

1. B. Fernández, A. Forn y J. García. "La fundición esferoidal en la industria del automóvil.

1. Factores que influyen en la nucleación del grafito". Colada Vol.11, núm.6 (1978).
2. Burns T.A.et al. "The Foseco, Foundryman’s Handbook". Ninth Edition, 1986.
3. By R. De Viaene, J. Dilewijins, and Albert De Sy. "Foundry, Achieving High Properties With copper alloy nodulizers". Volume 96, number 10 October 1968.
4. Enríquez Gómez, Fernando. "Manual del fundidor". Editorial Científico Técnica, 1982.
5. G. E. Belay, Salcines Misael. "Guía tecnológica de fundición", 1970.
6. García Caballero, MSc. Ramón y López Ibarra, MSc. Alejandro. "Fundición, Parte III: Tecnología del Molde". Primera edición 1999 RGC – ALI.
7. 15. Richard W. Heine, Carl R. Loper, Jr. Philip C. Rosenthal "Principles of Metal Casting", second edition, 1967.

Anexo 1

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Microfotografías de la primera prueba realizada.

Anexo 2

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Microfotografías de la segunda prueba realizada.

Autor:

Ing. Lázaro Humberto Suárez Lisca

Categoría para publicar: Tecnología

Fecha de realización: Noviembre 2004

Formación académica:

Ingeniero mecánico en la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, Cuba en Julio del 2002.

Categoría docente: Instructor

Situación actual:

a) Centro de trabajo. Universidad Central Marta Abreu de Las Villas. Facultad de Ingeniería Mecánica, carretera a Camajuaní Km. 5½, Santa Clara, Villa Clara, Cuba. CP 54830.

Cursos de post – grado recibidos:

• Curso de ofimática y su metodología de impartición.
• Producción de hierro fundido con el grafito esferoidal.
• Curso general de propiedad intelectual. (Internacional)
• Programación básica de robots educativos.

Publicaciones Científicas:

Tiene en su haber 3 publicaciones internacionales:

1. Mezclas del moldeo aglutinadas con silicato modificados y soplados con CO2
2. Procedimientos e instrucciones para garantizar la calidad de la producción de las camisas de motores de combustión interna.
3. Influencia de las propiedades termo físicas en la solidificación de una pieza fundida.
4. Monografía "Producciones de aleaciones fundidas"

Eventos y Congresos:

Ha participado en diversos eventos nacionales e internacionales, entre los que se destacan:

• COMEC 2002.
• METANICA 2003
• COMEC 2004
• CIMEI 2004