Hierros Austemperizados

Equipo 2

IntroducciónComo bien es sabido en la industria automotriz se ha estado buscando la manera de

mejorar las propiedades de los materiales utilizados para la fabricación de los

componentes que integran al automóvil, para ello se ha buscado que los materiales que

se utilizan posean buenas propiedades de resistencia a la fatiga, corrosión, desgaste, y

que a su vez sean ligeros, por lo general para que las piezas cuenten con este tipo de

características se utilizan aleaciones de acero y aluminio pero se ha encontrado que

aleaciones de hierro mas específicamente las aleaciones de hierro nodular pueden ser

mejores que las aleaciones de acero y aluminio ya que pueden presentar mejores

propiedades si se les es aplicado un tratamiento térmico de austemperizado, este

tratamiento nos da como resultado el hierro nodular austemperizado del cual se hablara

en este trabajo.

También se hablara sobre un método de caracterización para analizar las fallas de las

piezas.

Capitulo I

Fundiciones de hierro: tipos y características principales

Fundiciones de Hierro

Fundiciones de Hierro

Hierro BlancoHierro Blanco Hierro MaleableHierro Maleable Hierro GrisHierro Gris Hierro Nodular o Dúctil

Hierro Nodular o Dúctil

Hierro Nodular Ferritico

Hierro Nodular Ferritico

Hierro Nodular Perlitico

Hierro Nodular Perlitico

Hierro Nodular AustemperizadoHierro Nodular

AustemperizadoHierro

Nodular Austenitico

Hierro Nodular

Austenitico

Hierro Nodular

Martensitico

Hierro Nodular

Martensitico

Hierro Nodular Perlitico-Ferritico

Hierro Nodular Perlitico-Ferritico

Hierro Nodular o DúctilPoseen una composición similar a la de los hierros grises pero con una adición especial

de magnesio y cerio para provocar la sedimentación del carbono en forma de

nódulos, son producto de un tratamiento en la fusión del hierro gris.

Hojuelas de grafito de una fundición de hierro gris

Nódulos de grafito en un hierro nodular

Hierro Nodular FerriticoLas esferas de grafito se encuentran incrustadas en una matriz de ferrita (estructura

básicamente compuesta por hierro puro). Tiene las siguientes propiedades:

• Alta resistencia al impacto

• Moderada conductividad térmica

• Alta permeabilidad magnética

• En algunas ocasiones buena resistencia a la corrosion

• Buena maquinabilidad

Hierro Nodular PerliticoLas esferas de grafito se encuentran dentro de una matriz perlitica (segregado fino de

ferrita y cementita). Sus propiedades son:

• Relativamente duro

• Alta resistencia

• Buena resistencia al desgaste

• Moderada resistencia al impacto

• Poca conductividad térmica

• Baja permeabilidad magnética

• Buena maquinabilidad

Hierro Nodular Perlitico-FerriticoLas esferas de grafito están mezcladas en una matriz de ferrita y perlita, sus

propiedades se encuentran entre las de los hierros nodulares perliticos y los hierros

nodulares ferriticos, pero además poseen:

• Buena maquinabilidad

• Bajo costo de fabricación de los hierros nodulares

Hierro Nodular MartensiticoEs una aleación dura y frágil, producto de una fundición, poco utilizada. Al aplicársele

un tratamiento térmico de templado la aleación tiene una alta resistencia tanto mecánica

como de corrosión.

Hierro Nodular AusteniticoEs ampliamente utilizado por su buena resistencia mecánica, así como su buena

resistencia tanto a la corrosión como a la oxidación.

• Alta estabilidad de la resistencia mecánica y dimensionales a elevadas temperaturas

Hierro Nodular AustemperizadoEs la aleación mas reciente dentro de la familia de los hierros nodulares. Sus

propiedades son:

• Buena combinación de resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste

Características de los Hierros Nodulares

Capitulo IIHierros nodulares austemperizados: características, propiedades, métodos de

obtención del hierro nodular, tratamientos térmicos, efecto de los elementos aleantes, conteo de los nódulos y porciento de nodularidad,

ventajas y aplicaciones.

Hierros Nodulares AustemperizadosAdemás de las propiedades anteriormente mencionadas estas aleaciones tienen una

excelente capacidad de deformación y alta tenacidad, también tienen buena resistencia

al desgaste y a la fractura. Gracias a esto estas aleaciones son utilizadas para reducir el

peso y costos en la fabricación de diversos componentes.

• Propiedades y características principales

Las propiedades de estas aleaciones son obtenidas mediante un tratamiento térmico, el

cual tiene por objetivo desarrollar una matriz con una estructura de bainita con ferrita

(60%) y austenita retenida.

Austenita retenida: térmicamente estable a bajas temperaturas pero difícil de maquinar.Bajo condiciones adecuadas de esfuerzos, puede transformarse en martensita.

Métodos de Obtención de los Hierros Nodulares

Métodos de obtenciónMétodos de obtención

Método del tratamiento en el molde

Método del reactor basculante

Método del sándwich

Método de inmersión

Método del tapón porosoMétodo del cucharon abierto

Método del Cucharon Abierto• Se vacía rápidamente el metal liquido en el cucharon

• En la parte inferior del cucharon se deposita la aleación que contiene magnesio

• Se obtienen recuperaciones de magnesio de 20 a 25%

Recomendaciones:

Para obtener buena recuperación la altura del cucharon debe ser de 2 ½ a 3 veces el

diámetro del mismo, para prolongar el contacto entre el hierro y los vapores de

Magnesio.

Método del sándwichEl procedimiento para la obtención del hierro nodular por este método es el siguiente:

• Adicionar la olla que aporta el magnesio en el recoveco de la olla

• Adicionar el material que cubre la aleación que aporta el magnesio

• Vaciar el metal a la olla

• Transferir el metal a la olla de vaciado y realizar la inoculación

Ventajas: enfriado de la aleación nodulizante por el material que la cubre, para obtener mayor recuperación.Desventajas: perdida de temperatura (+/-40°C) por el calor adicional requerido para fundir el material que cubre a la aleación nodulizante.

Método de inmersiónProcedimiento:

• Un dispositivo refractario en forma de campana conteniendo el material nodulizante es sumergido en la olla con el metal liquido.

Recomendaciones:

Uso de una olla de altura de 2 veces el diámetro de la misma con el fin de tener una

mayor recuperación del magnesio, ya que los vapores de magnesio tendrán un mayor

contacto con el metal por la distancia que recorren.

Ventajas:

• Menor cantidad de material nodulizante que en otros procesos

• Emanaciones reducidas de humos y flamas

• Menor cantidad de escoria

• Con el empleo de una aleación nodulizante del 5% de magnesio se obtienen recuperaciones del 50%

Método del Tratamiento en el MoldeUna cámara de reacción especial es incorporada dentro de los corredores y sistemas de

alimentación del molde, la aleación nodulizante es colocada dentro de la cámara y la

reacción ocurre durante el proceso de vaciado.

Depende de:

• Temperatura del metal

• Velocidad y tiempo de llenado

• Tamaño y geometría de la pieza

Desventajas:

• Incremento de la escoria y otros productos de reacción atrapados en la pieza, que generan inclusiones.

• Necesidad de realizar pruebas de nodularidad en cada pieza debido a que cada molde recibe un tratamiento.

Recuperaciones de magnesio de 70 a 80%, con algunas aproximaciones al 100%

Método del tapón porosoSe utiliza una intensa agitación generada por la introducción de una gran cantidad de

burbujas de gas inerte a través de la parte baja de la olla para la nodularización.

Con esta acción la aleación de magnesio u otro material nodulizante puede ser

adicionada en la parte superior del baño en las ollas.

La acción de mezclado arrastra al material a la parte baja de la olla donde la reacción

respectiva tiene lugar libre de la presencia del oxigeno.

Desventajas:

Perdida de temperatura con el burbujeo del gas inerte.

La recuperación de magnesio puede ser como máximo de un 35%

Método del reactor basculanteReactor cilíndrico capaz de girar 180° sobre un eje estacionario, este método puede

utilizar magnesio puro debido a la habilidad de poder ser sellado herméticamente. Este

reactor posee una cámara de reacción con su propia puerta, esta cámara esta hecha con

un material refractario perforado para contener el material nodulizante fuera de

contacto con el metal liquido(posición horizontal).

Procedimiento:

El reactor es rotado a su posición vertical para que ocurra la reacción.

Ventajas:

• Se puede utilizar una aleación de bajo costo

• Se puede desulfurar y nodulizar al mismo tiempo

Desventajas:

• Violencia de la reacción

• Elevado costo del equipo

Tratamientos TérmicosComo ya se ha hablado anteriormente, los hierros nodulares austemperizados se

obtienen mediante tratamientos térmicos, mas específicamente de dos tratamientos térmicos:

• Tratamiento térmico de austenitizado

• Tratamiento térmico de austemperizado

Tratamiento de Austenitizado

• Se calienta la aleación dentro de un rango de temperatura por lo general entre 815 a 920°C.

• Se mantiene la temperatura a razón de 1 hora por pulgada de espesor, esto tiene la finalidad de formar estructuras cristalinas de austenita homogénea.

¿En que consiste?

¿De que depende la temperatura que se selecciona para el tratamiento?

•Depende de la siguiente etapa del proceso.•Del tipo de estructura deseada.

Tratamiento de AustemperizadoUna vez obtenida la austenita homogénea se tiene el siguiente procedimiento para

obtener la transformación dela austenita en bainita (ausferrita):

• Se transfiere rápidamente al horno de austemperizado.

• Se utilizan diferentes tipos de baños de sales para mantener la temperatura en un rango de 230 a 400°C.

• De acuerdo a las propiedades requeridas es como se selecciona la temperatura de austemperizado.

Proceso de austemperizado

Etapas de la Transformación de AustemperizadoA continuación podemos observar un ciclo típico de un tratamiento térmico de

austemperizado: La transformación en el rango de temperatura se lleva a cabo en 2 etapas:•Etapa 1 transformación parcial de austenita.

•Etapa 2 descomposición de la austenita metaestable.

Dónde:γ: austenita homogénea(α): ferrita sobresaturada con carbono(γ): austenita metaestable con alto contenido de carbonoα: ferritaα + carburos: bainita superior o inferior

Efecto de los Elementos AleantesLos elementos aleantes determinan las tendencias de transformación microestructural

durante el tratamiento térmico de los hierros nodulares.

Molibdeno• Incrementa la solubilidad del carbono en la austenita.• Baja el coeficiente de difusión.• Disminuye el contenido de ferrita.• Forma carburos muy difíciles de disolver.• Con contenidos superiores al 0.3% se incrementa la segregación, lo cual es nocivo en

algunas fundiciones.

Níquel• Disminuye la transferencia de carbono entre la matriz y los nódulos de grafito.• Elemento estabilizador de la fase austenitica, por lo tanto disminuye la temperatura de

austenitizacion.• Retarda la primer etapa.• Incrementa el tiempo de austemperizado.• Incrementando el contenido se incrementa la ductilidad, alcanzando la máxima

alrededor del 2%

Cobre

• Promotor efectivo de la perlita en las fundiciones de hierro.

• Crea una barrera para la difusión del carbono por lo que retarda el tiempo de austenitizacion.

Con objeto de evitar la formación de perlita, el hierro nodular austemperizado es normalmente aleado con Ni y Mo. Las combinaciones mas usuales son de 1 a 2% de Ni con 0.25 a 0.50% de Mo

Conteo de Nódulos y Porciento de NodularidadEste es una aspecto muy importante ya que de este depende si el hierro nodular es el

apropiado para el tratamiento de austemperizado.

• Conteo de nódulos 100/mm2, mínimo (con una distribución uniforme.)

• Nodularidad 85% mínimo.

Un conteo bajo conduce a un espaciamiento mas grande y las regiones mas grandes de

la segregación. En el peor de los casos estas regiones pueden segregarse tan

pesadamente que no se transforman completamente durante el austemperizado, dando

por resultado la formación de la austenita o de la martensita.

Aplicaciones de los Hierros Nodulares Austemperizados

Capitulo IIIPropuesta: Selección del hierro nodular para el tratamiento de

austemperizado y análisis de propagación de grietas en piezas hechas con hierro nodular austemperizado

Selección del Hierro Nodular para el Tratamiento de Austemperizado

Como ya se ha hablado en el capitulo anterior, la selección apropiada de un hierro

nodular es de suma importancia para realizar el tratamiento de austemperizado ya que

no todos los hierros nodulares son apropiados para este tratamiento.

Como se hablo en el tema de conteo de nódulos es muy importante que se tenga en

cuenta:

• Que el material cuente con un 85% de nodularidad

• Que los nódulos se encuentren uniformemente distribuidos

¿Cómo podemos observar microestructuralmente la distribución de los nódulos?

Después de varias discusiones se determino que el método mas optimo para observar la distribución de los nódulos era mediante la microscopia óptica, ya que con este método se pueden observar los nódulos distribuidos en los granos del hierro nodular, además de que se cuenta con la ventaja de que se pueden tomar muestras de varias secciones de la pieza para tener un análisis mas exacto de la distribución de los nódulos.

Análisis de la Propagación de Grietas Hasta la Fractura en Piezas Fabricadas con Hierro

Nodular Austemperizado

Se llevo a cabo el análisis mediante microscopia electrónica de barrido (MEB, SEM).

¿Por qué?

• Se puede determinar el tipo de fractura.

• Se puede observar la propagación de las grietas.

• Se pueden determinar las causas que originaron la falla.

Para obtener un análisis preciso es necesario tomar muestras de diferentes

secciones de la pieza y compararlas si es necesario con muestras tomadas de

otras piezas con el fin de determinar las posibles causas de la falla.