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1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 1.1. MATERIAL DE TRABAJO El material para realizar el estudio es Fundición Nodular producida en el Valle de Aburra. Esta fundición procede de las Empresas APOLO y SIMESA, quienes por cada colada nos suministraron dos bloques en Y hasta completar 20 co- ladas y por ende, 20 composiciones diferentes. Los bloques en Y sviministrados por las diferentes empresas se ilustran en la figura 1. A B u 30 i Figura 1 Escala 1 : 5 cms. Bloque en Y

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Page 1: 1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 1.1. MATERIAL DE … · El material para realizar el estudio es Fundición Nodular producida en el Valle de Aburra. Esta fundición procede de las

1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

1.1. MATERIAL DE TRABAJO

El material para realizar el estudio es Fundición Nodular

producida en el Valle de Aburra. Esta fundición procede

de las Empresas APOLO y SIMESA, quienes por cada colada

nos suministraron dos bloques en Y hasta completar 20 co­

ladas y por ende, 20 composiciones diferentes.

Los bloques en Y sviministrados por las diferentes empresas

se ilustran en la figura 1.

A

B

u 30

i

Figura 1 Escala 1 : 5 cms. Bloque en Y

Page 2: 1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 1.1. MATERIAL DE … · El material para realizar el estudio es Fundición Nodular producida en el Valle de Aburra. Esta fundición procede de las

Del bloque en Y sólo se utilizará la parte A, la parte B

(mazarota) se desecha, pues el vaciado se hace desde B

hacia A, siendo por tanto la parte B la que queda con los

defectos de fundición y la parte A generalmente queda sa­

na.

Por esta razón, de la parte A, que es la representativa,

se sacarán 2 probetas de tracción, 1 probeta Jominy y pro

betas metalográficas, para efectuar los distintos ensayos.

El bloque en Y de la figura 1 obedece a la norma ASTM -

A-536, aunque se han modificado un poco las dimensiones

para poder obtener las diferentes probetas.

1.2. COMPOSICIONES QUÍMICAS

Las composiciones químicas de los bloques en Y suminis -

trados por las empresas y que corresponden a 20 coladas

diferentes, se imprimen en la Tabla # 1 .

1.3. RANGOS DE COMPOSICIÓN ESTUDIADO

De la Tabla # 1 podemos extraer el rango de composición

química en los cuales se encuentran las diferentes cola­

das.

En este rango se excluyen las coladas No.14 y No.20, por

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tener una composición química muy diferente

Este rango se imprime en la Tabla # 2.

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I l ^ i o o i I i r s i c M i I I I I I M i m i ^ i ^ i ' < í i n i ' ; t i { N i i H i r > i i t - i | I U l O I O I O l O I O l O l ^ f l O t O l O l I 1 * 1 * l * l * í * l * l * l * l * l * j I o ^ l O | 0 | 0 | 0 | 0 | O l O | 0 | 0 | O l

I >H i r ^ i v o i v O i m i ^ l i n i i n i r - i i m i c N i I S S J O I O I O I O I O I O I O I O I O I O I I 1 * 1 * t * l * l * l * l * l * l * l * j I ^ l O l O I O I O I O I O l O I O I O I O I

t 1 1 1 + 1 1 1 1 + f 1

I i t n i c D i v O l v o i t n i v o i i ^ i r ^ i o i i I i o i o i o i o i o i o i t n i o i o i o i I co l O I O I O l O I O I O l O I O l O l O I I I * l * l * t * l * í * i * i * i * i * f I ^ l O I O I O l O I O I O I O I O l O l O l

I 1 1 r T 1 1 1 1 T 1 1

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I i i n i t n i o i o i o i i n i o i ^ l ( n i \ D i I o i i n i i n | f * > i v D i ^ l " < í ' i r ~ i r ^ i c N i ' H i I 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1

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I i r - í i c M i i H i I | r - ^ | . - ^ l • - ^ | r - ^ l ^ ^ I l O I O l O l r - í l i H I O l O l O I O j O I I O I O I O I « l O I O I » r • ! • ! • I • I I • ! * | 0 | • ! * | 0 | O I O t O I O I ^ I o I O I I o I O I I I I I

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1.4. DIAGRAMA ESTABLE

En la Tabla # 3 se dan los valores que permiten construir

el diagrama estable para cada una de las 20 composiciones.

Las expresiones matemáticas con que se calculan estos va­

lores son fvmción de la composición química y se han de­

ducido experimentalmente. (Ref. 8, 9 y 10).

TABLA # 3

T T T r T T 1 r 1 {Colada I C' I E' ! S* ¡ T; I TJ; ! Se 5 Pg ¡ I N o . ! I i ! ! ! I ! T T T r T T 1 '~T 1

I 1 I 3.41 ¡ 1.28 ¡ 0.50 I 800 ¡ 1165 ¡ 1.04 ¡ 1.94 ¡ T T T r r T 1 r 1 I 2 ¡ 3.40 { 1.28 } 0.50 ¡ 800 ¡ 1165 í 1.04 ¡ 1.94 ¡ f 1.-_ 4 4 1. 4 1. 4 _| ¡ 3 I 3.51 ¡ 1.37 ¡ 0.53 ¡ 791 { 1160 ¡ 0.94 ¡ 1.54 ¡ J X L I J X J í. I

{ 4 I 3.50 { 1.37 I 0.53 ¡ 792 ¡ 1160 j 1.03 ¡ 1.70j 4 4 4 ) 4 + 4 4 1

I 5 I 3.48 ! 1.34 I 0.52 i 794 ! 1162 I 0.98 ! 1.67 i { + Y f i . ., ^ 1

I 6 I 3.52 ! 1.37 ¡ 0.53 ' 788 ¡ 1160 ¡ 0.98 ! 1.62 | 1 T r 1 T T 1 r 1 j 7 j 3.41 ¡ 1.28 ¡ 0.50 | 798 ¡ 1165 ¡ 1.09 { 2.01 | f 4 4 4 4 4 f 4 ^ ¡ 8 I 3.51 I 1.36 ¡ 0.53 | 791 ¡ 1160 ¡ 1.07 j 1.76 ¡ I J. i i J X i X I

¡ 9 I 3.47 I 1.34 I 0.52 | 793 | 1162 | 0.95 ¡ 1.60 ¡ ». 4 1 1 4 4 4 4 1

I 10 ! 3.55 I 1.41 ¡0.55 ¡ 787 i 1156 í 0.89 ! 1.34 4 »- -t 1 1 i + 1 -I- 1

I 11 I 3.51 I 1.37 ! 0.53 ! 790 ! 1159 1 1.03 i 1.68 I

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Continuación...

1 1

Colada I C I E' I S' I T, I T„ { S I P„ | • I • i * * i ' ' ^ i O | ( 7 ,

No. I ! I ¡ ¡ I I I }. 4 4 4 4 4 !_ 4

12 ¡ 3.51 { 1.37 I 0.53 ¡ 790 | 1159 { 1.04 ¡ 1.67 } I X X X l 1 I I

13 I 3.48 I 1.34 } 0.52 } 792 } 1162 j 1.03 ¡ 1.78 } 1 4 4 1 1 1 1 1

14 I 3.57 I 1.40 I 0.55 I 781 ¡ 1156 I 0.98 I 1.53 I 15 I 3.52 I 1.37 ! 0.53 I 787 ! 1160 I 0.99 I 1.65 !

1 T T r r T 1 1 16 I 3.54 { 1.39 I 0.54 j 786 } 1157 j 0.85 | 1.29 |

} 4 . j ^ j ^ , , 17 ¡ 3.51 I 1.37 { 0.53 j 789 ¡ 1160 { 0.97 ¡ 1.60 {

^ X X 4 4 4 y ^ 18 I 3.54 I 1.39 j 0.54 j 787 ¡ 1157 | 1.21 ¡ 1.63 ¡

1 4 í 1 1 X 1 1

19 I 3.54 I 1.39 I 0.54 I 787 I 1157 I 1.19 I 1.66 I 1 4 4 ^ ( 4 f_ 1

20 I 3.63 I 1.44 I 0.56 I 772 I 1153 ¡ 1.00 I 1.49 I

Explicación de los valores :

C E'

S' TA

TE So

Es el nuevo eutéctico Es la máxima solubilidad de carbono en la austeni-ta. Es el nuevo eutectoide Es la temperatura crítica (Aj ) Es la temperatura eutéctica Es el índice de saturación. Informa cuando una fundición es hiper, hipo o eutéctica. Es el potencial de grafitización.

El diagrama estable sólo se construirá para una de estas

composiciones, pues las variaciones que presentan los va­

lores de la Tabla # 3 no son muy significativos.

En la figura 2 se da el diagrama estable para la composi-

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ción No. 2

8

T'*C

y + G

TA 800°C

J' -r G

OL + G

0.5 1 1.28 2 3 3.4 4 5 % C

Figura 2

Diagrama Estable

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1.5. DUREZA

Dos razones fundamentales explican la realización de este

ensayo. La primera obedece al hecho de que la dureza es

un ensayo complementario a la observación metalográfica,

es decir, las conclusiones que se puedan extraer de una

observación al microscopio adquieren validez según la du­

reza del material observado, correlativamente, la explic¿

ción que se pueda dar a la dureza presentada por un mate­

rial, en muchos casos, se basa en su estructura microscó­

pica. Para nuestro caso en particular esto es absoluta -

mente cierto.

La segunda razón por ],a cual se realizó el ensayo de du -

reza en el material as-cast, es que éste posibilita esta­

blecer comparaciones con el material tratado térmicamente.

En este sentido, lo qae se hará será construir la curva

de Dureza vs. Tiempo de sostenimiento a la temperatura de

aust en i zación., en la cual el primer punto corresponde a

la dureza del material sin tratar.

Se escogió el Ensayo Brinell con carga de 187.5 Kg. y bola

. e 2*5 rom. La dureza Brinell da mayor representatividad

y menor dispersión cuando se trata de un material hetero -

géneo^ como es el caso de la fundición nodular en la cual

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10

se tiene una matriz más dura <jue los nodulos de grafito.

La carga utilizada y la bola escogida se deben al tipo

de equipo empleado : un durimetro Wolpert Universal.

Sobre las probetas se hicieron cuatro mediciones y se

promediaron.

Los resultados obtenidos aparecen en la Tabla # 4 , en la

cual aparece la probeta representativa de una colada, ex­

traída de los bloques en Y; d es el diámetro promedio de

la huella; HB es el número de dureza Brinell para cada me

dición y HB es el número de dureza promedio para cada

probeta.

TABLA # 4

DUREZAS DEL MATERIAL AS-CAST

1 1 d { HB 1 HB 1 1 COLADA N o . i mm. i 2 , 5 mm. i i ! 1 1 187.5 Kg, 1 1 1 1 1 1—r "1 1 ¡ 1 , 1 8 ! 161 1 ! ¡ ¡ 1.20 ¡ 156 1 1 1 1 1 1.21 ¡ 153 } 156 1 1 } 1.20 } 156 ¡ 1 t . _ _ _ _ ^ _ _ _ _ _ „ « l __-._ - _ . - l -.-._ 1 - J 1 j ^ j j 1 1 ' ^ 1 ^ ^ 1 1 1 2 1 1 .24 I 145 ¡ 143 j 1 1 1 .26 1 140 1 I

! i ! 1 1

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C o n t i n u a c i ó n . .

11

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1

1 1 I

1

1 1 i 1

_ d mm.

1.20 1.16 1.13 1.18

1.27 1.27 1,27 1,28

1,25 1.26 1.25 1.25

1.22 1.26 1.24. 1.26

1.16 1.18 1,18 1.19

1.14 1.15 1.16 1.15 1.15

1.13 1.16 1.14 1.15 1.14

. — — . . — .

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! 1 1 1 1 1 1

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.___ ,

HB 2.5 mm. 187.5 Kg.

156 167 177 161

138 138 138 134

143 140 140 143

150 140 145 140

167 161 161 158

174 170 167 170 170

177 167 174 170 174

r— 1 1 I

1 i .—.J-.

1 1

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163

137

142

144 .

162

170

172

, , . -.

1 1 1 1 1 1 i

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Continuación..

12

1 1 1 , COLADA No.

U — . — — . — . -1

10

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11

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I 1 1 1 1 1

d mm.

1.14 1.17 1.15 1.17 1.15

1.00 1.05 1.05 1.04 1.03

1.14 1.16 1.15 1.15 1.18

1,00 0.97 1.00 1.00 0.97

0.92 0.925 0.92 0.92 0.925

1.10 1.13 1.09 1.10 1.12

1 1 1 1 1 1

I 1 1

1 1

_ — —

, . L. . . .

KB 2.5 mm. 187.5 Kg.

174 164 170 164 170

229 207 207 211 215

174 167 170 170 161

229 244 229 229 244

272 269 272 279 269

187 177 191 187 180

1-—

~ • • T' ~'

1

1 •

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HB

168

214

168

235

272

184

1 1 1

1 I

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1 1 i

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Continuación

13

COLADA No.

16

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4 0.97 0.96 0.98 0.98 0.97

HB 2.5 mm. 187.5 Kg,

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HB

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273

1.6. METALOGRÁFIA

La observación de la estructura del material as-cast es

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14

necesaria, pues posibilita llevar \in control de cuan ferrj.

tica es la matriz y cuál es el tamaño y tipo del grafito

de cada una de las composiciones estudiadas. También por­

que es un plinto de comparación para saber cuánto va aumen­

tando la cantidad de perlita a medida que el tiempo de

austenización aumenta en el normalizado.

Debido a los problemas que presenta la fvindición nodular

para el pulido, especialmente si se desean tomar microgra-

fías, haremos una reseña al respecto.

1.6.1. Pulido

Para el pulido se siguieron en general las recomendacio -

nes que sobre este aspecto trae el Metals Handbook, Vol.8

{ 3).

A continuación aparece una traducción de las partes esen­

ciales de dichas recomendaciones.

Pulido de fundiciones nodulares.

Debido a la presencia del grafito en las fundiciones no -

dulares y dúctiles en general, por su naturaleza blanda y

por ser fácilmente desprendible, es necesario tomar cier­

tas precauciones con respecto a la preparación metalográ-

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15

fica de las muestras, que no son necesarias en los otros

metales ferrores. Además, hay que tener en cuenta que el

color del grafito puede afectar las micrografias, pues

puede ser confundido con otra fase.

Desbaste y pulido grueso

Estas etapas se pueden realizar de igual forma que todos

los materiales ferrosos y por lo tanto, se tendrán los

mismos cuidados. El desbaste se hace generalmente sobre

xina cinta abrasiva que es impulsada por un motor. Esta

etapa puede llevarse a cabo utilizando refrigerante o en

seco, pero hay que tener cuidado con el calentamiento.

El pulido grvieso debe realizarse empezando por un papel

de grano grueso y cada vez pasando a uno más fino, utili­

zando agua como lubricante, teniendo cuidado de girar la

probeta 90 grados cada que ceuiibia el papel para garantí -

zar remover la capa de distorsión creada por el papel an­

terior e igualmente, es fundamental un buen lavado de la

probeta.

Este pulido preferiblemente debe ser manual, pues el uti­

lizar discos giratorios puede revertir en desprendimiento

y daño del grafito. El juego de papeles más recomendable

es 280, 320, 400 y 600.

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16

La parte final del pulido grueso es la más importante de

esta etapa. Una vez se ha llegado al papel 600, antes de

pasar al pulido fino, es necesario realizar un pulido

grueso en seco, con el fin de evitar el desprendimiento

del grafito. Para ello debe emplearse papel emery de dos

calidades (0.0 y 0.0.0). Para ayudar a quitar la capa

distorsionada es recomendable realizar el ataque (con pi-

cral las fundiciones perliticas, con nital las ferriticas)

de las probetas antes que se comience el pulido. El pa -

peí debe ser lavado con alcohol para quitar las particu -

las de metal arrancadas y después secado en una corriente

de aire. Nuevamente se repite el proceso hasta que la ma

triz haya sido desbastada uniformemente. Sólo cuando se

ha conseguido retener el grafito se debe pasar al pulido

si se desea una probeta perfectamente pulida.

Después del desbaste y antes del pulido fino, las probe­

tas deben ser atacadas con picral o nital, dependiendo

que sean perliticas o ferriticas.

Pulido Fino

Los mejores resultados en el pulido fino de fundiciones

grafiticas se han conseguido utilizando pasta de diaman­

te como abrasivo, siendo las mejores las de 1 y 0.25 mi­

eras.

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17

En esta etapa también se debe alternar el pulido y el ata­

que con el fin de conservar el grafito y retirar la capa

de metal distorsionada.

En lo referente al paño para pulido utilizado, se debe te­

ner bastante cuidado, pues si el paño es de lana o pelos

largos, se produce un buen pulido de la matriz pero el

grafito se arrastra fácilmente. Por el contrario si la

lana o pelo son cortos, aunque el paño presenta buenas ca­

racterísticas en cuanto a retención del grafito, su efi -

ciencia para pulir las rayas de la matriz dejadas por et¿

pas anteriores es muy baja. El paño ideal es entonces

aquel que es sintético y aterciopelado (Synthetic Relvet

Cloth, S.V.C.). Para su utilización debe estar bien pre -

parado, es decir, debe colocarse bien templado sobre el

disco de metal y debe dejarse girar durante 3 minutos sos­

teniendo una probeta sobre él.

Para comenzar el pulido se debe depositar en el paño, me­

diante una jeringa, un cordón de pasta de diamante de 1

miera, de aproximadamente 1,1/2" de longitud, y con los

dedos limpios se debe esparcir el disco. Es necesario

utilizar aceite que sirve para retener el diamante en el

disco y como lubricante. La probeta debe sostenerse con

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18

la mano sobre el paño, firmemente, pero la presión no de­

be ser excesiva, durante aproximadamente 1 minuto. Luego

se lava bien la probeta y se ataca (nital o picral según

el caso). Este proceso se continúa por unas 3 ó 4 veces.

Después se pasa al paño que contiene 0,25 mieras y se

realiza el mismo proceso. Para micrografias sobre todo de

más de 800 x se debe hacer un pulido final con alúmina de

0.05 mieras, pero éste no debe ser muy largo pues existe

el peligro de que se dañen los nodulos.

Inicialmente se siguió el proceso tal cual lo recomienda

el Metals Handbook, sin embargo los resultados obtenidos

no fueron muy satisfactorios, pues aunque sa consiguió

preservar el grafito, la matriz quedaba muy rayada.

Después de varios ensayos, los mejores resultados se con­

siguieron seguiendo las recomendaciones mencionadas ante­

riormente, durante la etapa de desbaste y pulido grueso.

En lo que respecta a la parte final se eliminó el proceso

de ataque y pulido repetitivo, también se eliminó el paso

por el paño que contenia diamante de 0.25 mieras, es de -

cir, después de pulir con diamante de 1 miera se pasó a

alúmina de 0.05 mieras. También se observó que, si bien

la limpieza es importante siempre en el proceso de pulido.

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19

en el caso de las fundiciones nodulares es necesario ser

muy estricto, y cuando se pasa de una etapa a otra, hay

que ser muy riguroso en el lavado de la probeta.

En lo que respecta al ataque, siempre se realizó con nital

2%, excepto en casos excepcionales, que después serán xese

nados.

Los resultados obtenidos en la observación metalográfica

aparecen en la Tabla # 5 , En ella se reseña el porcenta -

je de ferrita y perlita existente en la matriz, calculando

aproximadamente mediante observación microscópica, reali -

zando la observación a diferentes aumentos (lOOx, 200x ,

400x y 800x); asi mismo se reseña el tipo y el tamaño del

grafito. Esto se hace por comparación en las tablas De -

signación ASTMfc247. De acuerdo a las A.S.T.M. la obser -

vación se realizó a lOOx.

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Page 23: 1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 1.1. MATERIAL DE … · El material para realizar el estudio es Fundición Nodular producida en el Valle de Aburra. Esta fundición procede de las

23

1.7. TRACCIÓN

Hasta el momento se hicieron ensayos de tracción sobre

probetas en estado as-cast, (Ferriticas y Perlitoferríti-

cas) con el fin de conocer los esfuerzos y deformaciones

de interés en la caracterización del material.

1.7.1. Equipo

Se utilizó una prensa de 10 toneladas, marca VEB ZDIO. La

última fecha de calibración fué : Diciembre 16/78 y el

error obtenido fue del 0.5 % para la escala de 10 tonela­

das, que es un porcentaje permisible por la especifica -

ción ASTM E 4-64 (6).

La escala de 10 toneladas tiene una resolución de 50 Kgs.

1.7.2. Probetas

Para el sitio de donde se sacó la probeta del bloque "Y"

y para las dimensiones de la misma, se siguieron las re -

comendaciones de la especificación ASTM A 536-71 (4).

Para caracterizar las fundiciones nodulares con matriz f¿

rritica, en estado as-cast, se hicieron ensayos de trac -

ción sobre 21 probetas (se descartan 4) correspondientes

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a 12 composiciones químicas diferentes. Los resultados

obtenidos se clasifican en la tabla # 6.

En cuanto a las fundiciones nodulares con matriz perlito-

Ferrítica, no podemos hablar exactamente de su caracteri­

zación, ya que los ensayos se hicieron sobre nueve probe­

tas correspondientes a 7 composiciones y en las cuales

hubo que descartar 4 probetas, ya que presentaban defee -

tos como porosidades o porque su composición presenta co­

bre en bastante porcentaje. Es asi como en propiedades

mecánicas de estas fundiciones de matriz perlito-ferriti-

cas sólo podemos darlas como una tendencia mostradas por

6 probetas de 7 composiciones diferentes. Para los resuj^

tados ver Tabla # 7.

Page 25: 1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 1.1. MATERIAL DE … · El material para realizar el estudio es Fundición Nodular producida en el Valle de Aburra. Esta fundición procede de las

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1.8. OBSE RVACIONE S

1°. El método del promedio aritmético y de los intervalos

de divergencia se utilizó en vista de que el número de en­

sayos no era suficiente en el empleo de otro sistema esta­

dístico de evaluación.

2**. De la Tabla # 7 se desprende como las probetas que

tienen defectos de fabricación (porosidades) también pre -

sentan valores bajos en sus propiedades mecánicas.

3°. Al realizar la observación metalográfica y la medición

de dureza, vemos que las coladas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,

10, 12 y 19 tienen matriz ferrítica y su dureza está entre

140 HB y 170 HB. Esto coincide con lo que trae el Gray and

Ductile (Ref. 7, pág. 241) para el grado 60-40-18, cuya ma­

triz es ferrítica y su dureza está comprendida entre 149 HB

y 187 HB, según recomendación ASTM A-536-70.

Las coladas 11, 13, 15, 16, 17 y 18 presentaron matriz per-

lito-ferrítica y la dureza medida está entre 194 HB y 243

HB. Esto coincide según la recomendación ASTM-A-536-70 con

el grado 80-55-06, cuya matriz es perlito-ferritica y su

dureza está comprendida entre 187 HB y 255 HB.

4**. En cuanto a propiedades mecánicas, las coladas que

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presentaron matriz ferrítica se ajustan al grado 60-40-18,

excepto la colada No. 4 que presentó grafito vermicular,

como resultado de demorar más de 10 minutos el vaciado, una

vez se le haya adicionado el magnesio para la nodulización.

Las coladas que presentaron matriz perlito-ferritica las

podemos asimilar al grado 80-55-06, aunque en realidad el

porcentaje de ductilidad que presentan es superior a 6 %,

pero sus valores de resistencia permiten asimilarlas a di -

cho grado.

5", Las coladas 14 y 20 presentan matriz perlítica pero a

su vez también presentan porcentajes de cobre de 0.4 %, lo

que hace que su composición química se salga del rango es -

tudiado. El cobre es un elemento perlitizante y se utiliza

en la fundición con este propósito en porcentajes superio -

res a 0.5 % dependiendo del espesor de la pieza. Posterior

mente analizaremos la influencia que ejerce este porcentaje

de cobre en las coladas 14 y 20 en los tratamientos térmi -

COS.