Metalurgia: Fundiciones ADI (Austempered Ductil Iron)

Industriales. Materiales. Procedimiento experimental. Austemperado. Chispeo. Aplicaciones

  • Enviado por: Jéssica Vega
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
  • 11 páginas
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RESUMEN

Este informe tiene por objetivo la corroboración experimental de lo que en teoría se conoce como fundiciones ADI. Para ello se realizó el tratamiento térmico de Austemperado, (Austempering Dúctil Iron), donde se utilizo una barra circular de fundición gris nodular, de la cual se extrajeron diez probetas con caras paralelas.

A las probetas, se les practico el proceso de Austemperado, donde fueron llevadas a temperatura de austenizado (entre 870ºC y 890ºC), dejándolas ahí por un cierto tiempo. Primero se sacó una probeta a los 20 minutos de austenizado para luego solo ser templada al agua con agitación. Luego las probetas son enfriadas rápidamente, siendo trasladas a otro horno que se encontraba a temperatura de austemperado deseada, del cual al cabo de 10 minutos se retiró la primera probeta, y luego las otras una por una, en intervalos de 30, 50 y 120 minutos, para luego someterlas a un temple en agua.

Para poder corroborar el efecto de la temperatura a diferentes tiempos de austemperado en las futuras propiedades mecánicas de la fundición, las probetas se dividieron en dos grupos, donde el primero se enfrió a una temperatura de 300ºC en un horno eléctrico a 2 KW. de potencia, mientras que el segundo grupo se enfrió a 400ºC en un horno semi mufla trifásico de 18 KW. de potencia.

Una vez enfriadas las probetas se llevaron a análisis metalográfico, donde pasaron por el proceso de desbaste y pulido, para luego ser atacadas con reactivo Nital al 3%. A continuación, las probetas se analizaron microscópicamente.

Finalmente se les practico el ensayo de dureza Rockwell C.

Por otra parte, se obtuvo la composición química de la fundición gris nodular por medio de chispeo.

Con esto se pudo obtener los resultados necesarios para cumplir con los objetivos de esta experiencia, donde se corroboró que a iguales tiempos de austemperado la máxima dureza la obtendrá la probeta sometida a temperatura de 300ºC.

MATERIALES

  • Anillo de fierro nodular.

  • Máquina de cortar con disco.

  • Alambre recocido.

  • Horno eléctrico de mufla (5 litros).

  • Horno semimufla (trifásico).

  • Lijas.

  • Pulidoras.

  • Alúmina.

  • Nital 3%.

  • Microscopio óptico.

  • Parafina.

  • Máquina para medir dureza Rockwell C.

Procedimiento Experimental

Inicialmente se contó con un pequeño trozo de un anillo de fundición gris nodular aleado, otorgado por el Señor Santiago Riveros en la Planta de Tratamientos Térmicos Küpfer Hnos. S.A., la cual fue cortada en diez discos de caras paralelas.

Luego estas probetas fueron amarradas con alambre, para luego insertar cinco de ellas al horno eléctrico a una temperatura de 870ºC, donde permanecen durante veinte minutos. Luego es sacada una de ellas, la que se templó al agua con agitación.

Luego las probetas son enfriadas rápidamente, siendo trasladas a otro horno que se encontraba a temperatura de austemperado de 300ºC, del cual al cabo de 10 minutos se retiró la primera probeta, y luego las otras una por una, en intervalos de 30, 50 y 120 minutos, para luego someterlas a un temple en agua.

Después con las otras cinco muestras restantes, se realizó el mismo procedimiento, a diferencia que son enfriadas a 400ºC como temperatura de austemperado.

Una vez enfriadas las probetas se llevaron a análisis metalográfico, donde pasaron por el proceso de desbaste y pulido, para luego ser atacadas con reactivo Nital al 3% por seis segundos aproximadamente. A continuación, las probetas se analizaron microscópicamente y se tomaron microtomografías de ello.

Finalmente se les midió dureza Rockwell C.

AUSTEMPERADO DE LOS HIERROS FUNDIDOS NODULARES ADI

El desarrollo del tratamiento especial de austemperado ADI (Austempering Ductile Iron), en hierros fundidos nodulares es más bien reciente (1980).

En una búsqueda por mejorar las propiedades mecánicas de colada, se realiza este tratamiento térmico. Luego del tratamiento térmico isotérmico, las aleaciones ADI obtienen un mejoramiento en lo que refiere a propiedades mecánicas, tales como son la resistencia a la tracción, la tenacidad, la resistencia al desgaste y a la fatiga. Por otra parte estas características además pueden mejorarse con una combinación de elementos aleantes e inoculantes y el control de la micro estructura.

La fundición ADI es una fundición gris nodular débilmente aleada, con tratamiento isotérmico de la austenita subenfriada por un tiempo determinado a la temperatura deseada de tratamiento. Lo que se muestra gráficamente a continuación.

Tº C

Austenita

B C Perlita

Ausferrita

D E Bainita

A F

Tiempo (min.)

Ciclo de Austemperado de una fundición ADI

Donde la Ausferrita es la mezcla mecánica de dos fases Ferrita acicular y Austenita de alto carbono (estabilizada) y total ausencia de carburos, a diferencia de la Bainita que se compone de una mezcla de Carburo más Ferrita.

El ciclo mostrado anteriormente demuestra esquemáticamente como el tratamiento comienza con un calentamiento alrededor de los 870 a 890 ºC (A-B) y la mantención a esa temperatura durante 1 a 3 horas (B-C). Durante este tiempo la estructura se homogeneiza a un estado totalmente austenítico. Luego se realiza un enfriamiento rápido hasta la temperatura de austemperado deseada (C-D), la cual fluctúa entre los 240 a 400ºc, siendo esta temperatura mantenida por un intervalo de tiempo de 1 a 4 horas (D-E).

Finalmente se enfría a una temperatura ambiente(E-F), antes de que comience la precipitación de carburos correspondiente al región bainítica.

La microestructura de la fundición nodular austemperada es conocida como ausferrita, la cual es una microestructura ferrítica acicular con austenita estabilizada, como consecuencia del enriquecimiento en carbono sufrido por la formación de ferrita durante el austemperado, acompañado de cantidades variables de austenita.

A continuación se muestra gráficamente la formación de ausferrita durante el tratamiento de austemperado.

Borde de grano Ac Ac Borde de Grano

Austenita

Ferrita

En este esquema se muestran las placas de ferrita que nuclean y crecen en la matriz austenítica, esto conlleva a la reyección de carbono hacia sus alrededores, enriqueciendo la austenita adyacente a esta zona (Ac).

La transformación del austemperado tiene dos etapas. En la primera reacción se produce una transformación de la austenita a placas de ferrita y austenita estabilizada, es decir muy altas en carbono, donde es estructura ausferrítica. Para tiempos prolongados de tratamiento, ocurre la segunda reacción en la que se produce una descomposición de la austenita rica en carbono simultáneamente en ferrita y carburo, es decir a bainita.

La transformación ausferrítica se debe a la influencia que el silicio ejerce en la descomposición de la austenita. Se observa que el silicio desplaza la línea solvus de la austenita a menores concentraciones de carbono y a más altas temperaturas. Esto producirá la nucleación y el crecimiento de la ferrita acicular en la austenita, durante el austemperado.

Por otra parte se tiene que el silicio acelera la transferencia de carbono entre la matriz austenítica y los nódulos de grafito y además contribuye al endurecimiento por solución de la ferrita.

Además no se debe olvidar que el manganeso también desplaza la línea solvus de la austenita a menores concentraciones de carbono

Aplicaciones

El potencial de usos para las fundiciones austemperadas es basto y variado, ya que son utilizadas en tractores, autos, y vehículos varios, además se encuentra presente en algunas piezas industriales como las puntas de palas y bolas de molino, entre otras aplicaciones dentro del campo de la minería. Por otra parte no se debe olvidar ni desmerecer la utilización militar.

Su uso se ve favorecido debido a la baja densidad con respecto a las piezas de acero, además de su alta resistencia a la amortiguación. Además se debe considerar el bajop costo que estas piezas poseen.

Análisis de Chispeo

FE-20 FE - Cast Iron ADI

X

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

1

3.54

2.43

0.480

0.0171

0.0130

0.172

0.154

0.483

2

3.42

2.40

0.494

0.0157

0.00937

0.169

0.146

0.496

3

3.44

2.43

0.500

0.0155

0.00978

0.168

0.147

0.499

4

3.49

2.41

0.504

0.0152

0.0106

0.168

0.145

0.505

Promedio

3.47

2.42

0.494

0.0159

0.0107

0.169

0.148

0.495

X

Ti

V

W

Mg

Fe

Ceq

1

0.00502

0.00459

0.0113

0.0514

91.87

---

2

0.00490

0.00459

0.0195

0.0352

91.98

---

3

0.00479

0.00467

0.0250

0.0350

91.90

---

4

0.00469

0.00482

0.0296

0.0324

91.85

---

Promedio

<0.005

<0.005

0.0213

0.0385

<91.90

4.28

PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES ADI

Las propiedades presentada por las fundiciones ADI, son condicionadas por los parámetros del tratamiento térmico, es decir tiempo, temperatura. Referente a la comparación con el hierro nodular a partir del cual fue hecho existen algunas mejorías, como por ejemplo el módulo elástico de la fundición ADI es 20% menor con relación al acero, por lo tanto este factor se debe considerar en la etapa de diseño.

Además las aleaciones ADI poseen el doble de resistencia que las fundiciones nodulares, sin olvidar que presentan un alto alargamiento y tenacidad. Por otra parte poseen resistencia al desgaste y fatiga, lo cual permite en las etapas de diseño reducir el peso y costo de las puiezas.

La siguiente tabla muestra valores de propiedades mecánicas para diferentes cinco grados de la norma ASTM A897-90 para este material.

Grado ASTM

A897-90

Resistencia a la

Tracción (Mpa)

Límite elástico

(Mpa)

Alargamiento

(%)

Dureza (HB)

1

840

560

10

269 - 321

2

1050

700

7

302 - 363

3

1225

875

4

341 - 444

4

1400

1085

1

388 - 477

5

1610

1295

---

444 - 555

Bibliografía

  • Introducción a la metalurgia de las fundiciones grises

  • Dr. Oscar Bustos.

  • Tratamientos Térmicos.

  • José Apraiz

    Fueron tomadas 10 microfotografías consideradas representativas de lo que sucede en un tratamiento térmico de austemperado.

    Metalurgia: Fundiciones {ADI}
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    Fig. 1. Austenitizado a 870ºC, austemperado a Fig. 2. Austenitizado a 870ºC, austemperado a 300ºC por 20 min. 200X. 300º C, Por 20 minutos, 500X

    Metalurgia: Fundiciones {ADI}
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    Fig. 3. Austenitizado a 870ºC, austemperado a Fig.4 Austenizado a 870ºC, austemperado

    300ºC por 50 minutos, 200X a 300ºC, por 50 minutos, 500X.


    Metalurgia: Fundiciones {ADI}
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    Fig. 5 Austenizado a 490ºC, austemperado FiG. 6 Austenizado a 890, austemperado

    A 400ºC, por 15 minutos a 200X a 400ºC, por 15 minutos, 200X.

    Metalurgia: Fundiciones {ADI}
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    Fig. 7. Austenizado a 890ºC, austemperado Fig. 8 Austenizado a 890ºC, austemperado

    A 400ºC 45 minutos, 200X a 400ºC, 45 minutos 500X

    Metalurgia: Fundiciones {ADI}
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    FiG. 9. Austenizado a 890ºC, austenizado a Fig. 10. Austenizado a 890ºC, Austemperado

    400ºC, 200X. A 300ºC, 200X.