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.

 Para
ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior

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

 Para
ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior

Microfotografías de la primera
prueba realizada.

Anexo 2

 Para
ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior

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