EFECTOS DEL TRATAMIENTO TERMICO SOBRE LA DISTORSION DE FORMA Y VARIACI N DIMENSIONAL EN PLACAS DELGADAS DE FUNDICI N ESFEROIDAL DE DISTINTO CONTEO NODULAR

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
EFECTOS DEL TRATAMIENTO TERMICO SOBRE LA DISTORSION
DE FORMA Y VARIACIÓN DIMENSIONAL EN PLACAS DELGADAS
DE FUNDICIÓN ESFEROIDAL DE DISTINTO CONTEO NODULAR
A.D. Sosa(1), M.D. Echeverria(1), O.J. Moncada(1,2), J.A. Sikora(2)
1)
Grupo tecnología Mecánica, 2) División Metalurgia. INTEMA
Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Mar del Plata. J.B. Justo 4302. (B7608FDQ) Mar del Plata.
[email protected] - [email protected] - [email protected] - [email protected]
RESUMEN
Las variaciones de forma y dimensiones producidas en el tratamiento térmico de piezas coladas de fundición
esferoidal pueden resultar significativas cuando las tolerancias de fabricación son pequeñas. Mediante la
predicción de sus valores puede reducirse o evitarse el sobredimensionamiento y/o eventual corrección por
mecanizado, obteniendo ahorros de tiempo y costos de producción.
En este trabajo se estudian los efectos de tratamientos térmicos de austemperizado (ADI) y de ferritizado sobre la
distorsión de forma y la variación dimensional en probetas de 2 mm de espesor de fundición de hierro esferoidal.
Unas coladas en espesores de 2 y 4 mm y otras extraídas de bloques Y, por lo cual poseen diferentes conteos
nodulares. Las probetas, convenientemente mecanizadas, se midieron en una máquina de medir por coordenadas,
para determinar las distorsiones y las variaciones dimensionales producidas por los distintos tratamientos
térmicos con respecto a la condición bruto de colada.
Los resultados muestran que la distorsión de forma y la variación dimensional aumentan con el conteo nodular y
son de magnitud diferente para cada tratamiento térmico.
Palabras Claves: Tratamiento Térmico, Variación Dimensional, Placas delgadas, Conteo Nodular, Distorsión
1. INTRODUCCIÓN
El campo de aplicación de las fundiciones de hierro
con grafito esferoidal (FE), se ha expandido en los
últimos años. La evolución de las tecnologías de
colada, posibilita actualmente la obtención de piezas
de
pequeño
espesor
(inferior
a
4mm)
metalúrgicamente sanas, ampliando el campo de
aplicación tradicional para este material, que se
restringía a piezas con espesores de pared superiores a
5 mm.
La mayor velocidad de enfriamiento impuesta durante
la solidificación de piezas de espesores pequeños,
aumenta el conteo nodular, pues promueve la
activación de mayor cantidad de sitios de nucleación,
a la vez que refina la microestructura y dispersa las
últimas porciones en solidificar (LTF).
Diversos aspectos básicos relativos a la obtención de
placas delgadas de FE por colada han sido estudiados
por la División Metalurgia del INTEMA, en
experiencias que arribaron al logro de estructuras
sanas, sin microporosidades y prácticamente libres de
carburos [1]. Se ha demostrado que el comportamiento
mecánico del material puede ser mejorado mediante el
aumento del conteo nodular y el refinamiento de la
estructura de matriz [2,3]. También se han efectuado
experiencias de rectificado sobre placas delgadas de
distintos conteos nodulares para estudiar sus efectos
sobre la distorsión de forma, rugosidad superficial,
deformación plástica y tensiones residuales [4,5].
La FE sometida al tratamiento térmico de
austemperizado permite obtener ADI, material con un
amplio espectro de propiedades mecánicas, resistencia
al desgaste y maquinabilidad [6-10], que lo ubican en
una posición competitiva favorable frente a materiales
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
de mayor costo como ciertas aleaciones livianas de
base aluminio y aceros de alta resistencia.
La variación dimensional y la distorsión de forma que
sufren las piezas durante el austemperizado ha sido
estudiada para piezas con espesores por encima de
10mm [11].
Es sabido que los efectos de la variación dimensional
y la distorsión que ocurren en el tratamiento térmico
adquieren mayor relevancia cuanto menor es la
tolerancia de la pieza, pudiendo causar la necesidad de
recurrir al sobredimensionamiento y mecanizado final
para corregir las deformaciones [11,12]. En estas
situaciones deberán preverse mayores tiempos y
costos de producción.
La variación dimensional puede ser neutralizada
compensando las medidas de la pieza a priori, lo que
es viable si se puede efectuar una predicción
suficientemente precisa de sus valores [11,12]. Por el
contrario, la distorsión es casi imposible de
neutralizar, pero es posible reducirla ejerciendo un
estricto control sobre las variables del proceso de
producción que la afectan [13].
La caracterización metalográfica se efectuó por
microscopía óptica, y se determinó el conteo nodular
mediante análisis digital de imágenes, empleando el
software Image Pro Plus. Los valores obtenidos fueron
de 250, 1200 y 1700 nód/mm2, para las muestras de
bloque “Y” y las placas de 4 y 2 mm de espesor,
respectivamente. La nodularidad resultó entre 90 y
95% en todos los casos. Las matrices de bloque “Y” y
placas de 4mm presentaron en bruto de colada
aproximadamente 75% perlita y 25% ferrita, sin
presencia de carburos. En las placas de 2mm la matriz
estaba compuesta por 85% perlita, muy poca ferrita y
el resto carburos ledeburíticos.
2.2 Probetas
En la figura 1 se representan las dimensiones de las
probetas empleadas en el estudio, que constan de una
zona útil (o de medición) de 80mm de longitud y de
dos orificios para facilitar el anclaje durante el
mecanizado y el manipuleo conjunto de las probetas
en el tratamiento térmico.
80
En este trabajo se estudia la variación dimensional y la
distorsión de forma producidas en los tratamientos
térmicos de austemperizado y ferritizado de placas
delgadas de fundición esferoidal de distintos conteos
nodulares, con el fin de ampliar el conocimiento sobre
el tema y las perspectivas de aplicación del material.
13
2
100
Figura 1. Probetas de ensayo
2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Todo el material de colada fue fraccionado y
mecanizado con métodos de remoción de baja energía,
para minimizar la generación de tensiones residuales.
2.1 Material
Se utilizó FE producida en un horno de inducción de
media frecuencia, de 55 Kg de capacidad, nodulizada
e inoculada convencionalmente. Se colaron, en moldes
de arena, placas de 2 y 4 mm de espesor empleando
un modelo vertical expresamente desarrollado [14] y
bloques Y de 1” (ASTM A395), con el fin de obtener
piezas de diferente conteo nodular.
La composición química, indicada en la tabla 1, se
determinó por espectrometría de emisión óptica con
excitación por chispa. El valor del carbono
equivalente
(CE)
resultó
ser
ligeramente
hipereutéctico.
C
3,40
CE
3,08
4,43
0,013
0,03
0,044
0,63
0,50
Finalmente todas las probetas se sometieron a un
pulido manual, quedando con dimensiones similares
de 13x100x2mm. Se utilizaron en total 28 probetas, 4
por cada diferente combinación conteo-tratamiento
térmico de austemperizado (ADI), y 4 para ferritizado
de placas de 2mm (1700 nód/mm2).
2.3 Tratamientos térmicos
Tabla 1. Composición química del material
Si
Mn
S
P
Mg
Cu
Ni
0,14
Las placas de 4 y 2 mm de espesor fueron cortadas por
aserrado a 13x100mm. Las placas de 4mm se llevaron
a 2 mm por limado mecánico. Las probetas de bloque
“Y” también se cortaron por aserrado a 13x100mm
para llevarlas finalmente a 2mm de espesor por limado
mecánico.
Se realizaron dos diferentes ciclos de tratamiento
térmico para obtener sendos grados de ADI, que
consistieron en una austenización a 910ºC durante 1
hora, seguida de un austemperizado en baño de sales
durante 45 minutos, a 360ºC y 280ºC respectivamente.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Los valores de dureza del material en bruto de colada
y los obtenidos por tratamiento térmico se indican en
la tabla 2.
Tabla 2.- Dureza HRc (HB)
Placas
Bloque Y
4 mm
Bruto de colada (BC)
20 (223)
25 (255)
ADI 360ºC
35 (331)
35 (331)
ADI 280ºC
46 (444)
47 (461)
Ferritizado
--- (177)
--- (184)
Placas
2 mm
35 (331)
39 (369)
49 (477)
--- (195)
2.4 Mediciones
Con una máquina de medir por coordenadas, con
incertidumbre de (±4L/1000) μm, se determinó el
espesor y el defecto de planicidad (IRAM 4515),
efectuando mediciones antes y después del tratamiento
térmico en puntos de una grilla rectangular con
espaciamiento longitudinal y transversal de 20mm y
4,5mm respectivamente.
variaciones de espesor registradas en todas las
probetas, sobre los 15 puntos de la grilla definida en el
ítem 2.4, calculadas mediante la expresión (1).
En la figura 3 se grafican los valores promedio de VD
para los 3 conteos nodulares, los 2 tratamientos de
ADI y el de ferritizado.
Tabla 3.- Variación dimensional y su dispersión
Tratamiento
térmico
VD%
ΔVD%
VD%
ΔVD%
VD%
ΔVD%
ADI 280
ADI 360
Ferritizado
0,147
-0,059
----
0,490
0,407
----
0,272
0,017
----
0,399
0,228
----
0,529
0,296
0,887
0,297
0,214
0,375
250 nód/mm2
1200 nód/mm2
1700 nód/mm2
Se aprecia que en el tratamiento de ADI280 la VD es
mayor que para ADI360, lo que concuerda con la
tendencia general reportada, referida tanto a probetas
como a piezas mecánicas de diferente microestructura,
composición química y tamaño [11, 15].
Utilizando el modo gráfico en pantalla se determinó la
forma y orientación del defecto, y una vez tipificado
se midió su parámetro mas representativo, en este caso
la deflexión (d), o desviación máxima respecto a un
plano ideal, representada esquemáticamente en la
figura 2. La identificación, evaluación y comparación
de los defectos de planicidad (distorsión de forma) fue
facilitada por la construcción de gráficos
tridimensionales amplificados.
0,6
ADI 280
0,529
ADI 360
0,5
0,4
VD%
0,296
0,272
0,3
0,147
0,2
d
0,1
80 mm
0,017
80 mm
0,0
Figura 2.- Deflexión (d), parámetro de evaluación del
defecto de planicidad
-0,059
-0,1
0
Con los valores del espesor de las probetas antes y
después del tratamiento térmico, eo y ef , se calculó la
variación dimensional porcentual (VD%) mediante la
siguiente expresión:
VD% =
(e f − e0 ) * 100
e0
(1)
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Variación Dimensional
Los valores de variación dimensional VD%
producidos en las diferentes probetas por efecto de sus
respectivos tratamientos térmicos se incluyen en la
tabla 3. Los mismos representan el promedio de las
500
1000
1500
2000
Conteo nodular [Nod/mm²]
Figura 3.- VD% en función del conteo nodular, para los dos
tratamientos de ADI
Se observa también claramente que la VD aumenta
con el conteo nodular. La variación dimensional
resultó siempre positiva (expansión) para ADI 280,
pero presentó valores negativos (contracción) en el
caso de ADI 360, para las probetas de 250 nód/mm2.
Esta contracción es de magnitud similar a las
reportadas en otros trabajos (0,05%) correspondientes
a fundición nodular no aleada, matriz ferrítica y
conteos del orden de 250 a 300 nód/mm2 [15,16].
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
De la figura 3 se deduce que para la aleación
estudiada, las curvas de variación entre las VD% de
cada tratamiento de ADI son similares en el rango de
conteos nodulares estudiados, resultando únicamente
desplazadas por su diferente magnitud.
0,6
1700
0,5
1200
250
VD%
0,4
0,3
A modo de ejemplo, los valores indicados de ΔVD%
dejan todavía un margen suficiente para el
mecanizado. Mecanizando en una máquinaherramienta con precisión de ±5 μm, la tolerancia de
la pieza deberá ser por lo menos de ±9 μm y ±10 μm
respectivamente. Para los espesores de placa
considerados, esto equivale aproximadamente al grado
de calidad normalizado ISO IT8.
De acuerdo a lo anterior, una extensa variedad de
piezas mecánicas de grado de calidad corriente
podrían ser mecanizadas antes del tratamiento, ya que
la variación dimensional experimentada durante el
mismo no obligaría a mecanizarlas posteriormente con
fines correctivos.
Cabe destacar que la dispersión resultó menor para los
conteos mas altos, lo que constituye un aspecto
favorable para la producción de piezas coladas en
pequeño espesor.
0,2
0,1
0,0
3.2 Distorsión de forma
-0,1
240
280
320
360
400
Temperatura Austempering [ºC]
Figura 4.- VD% en función de la temperatura de
austemperizado, para los distintos conteos nodulares
Esto se visualiza claramente en la figura 4, a través de
la pequeña diferencia entre las pendientes de cada
tratamiento. El valor promedio de ΔVD% concuerda
con los rangos reportados para otras composiciones
químicas sometidas a iguales tratamientos [11,12,17].
El ferritizado, realizado para tener datos sobre una
pieza de alto conteo nodular (1700 nód/mm2) a
efectos de compararlos con otros reportados
anteriormente para FE de composiciones similares,
pero de bajo conteo [15], arrojó los resultados de VD
indicada en la Tabla 3. De la citada comparación surge
que la VD% en el ferritizado también aumenta con el
conteo nodular. Al pasar de 300 a 1700 nód/mm2 la
VD % aproximadamente duplica su valor.
Los datos de la dispersión ΔVD%, calculados como la
desviación estándar de los valores VD%, se indican
también en la tabla 3. La dispersión resultó
comparativamente más alta que la reportada para
piezas de mayor tamaño y espesor de pared
[11,12,17], superando en algunos casos al valor
promedio de la VD%. No obstante, en términos de
dimensión en (μm), la dispersión resulta pequeña por
tratarse de placas delgadas, siendo apenas de ±4 μm
para ADI360 y de ±5 μm para ADI280, para los casos
mas desfavorables. Estas cantidades, calculadas a
partir de los datos de la tabla 3, al ser restadas a la
tolerancia de la pieza, dan como resultado el margen
que queda disponible como tolerancia para el
mecanizado.
La distorsión de forma, observada a través de la
amplificación gráfica tridimensional, no responde a un
patrón claramente definido, sino que presenta
configuraciones varias como alabeo, curvado u
ondulado diferentes para cada probeta. Esto puede
atribuirse a un conjunto de factores que ejercen
relevante influencia sobre la distorsión en placas
delgadas, entre los cuales cabe señalar las ligeras
variaciones del espesor dentro de cada probeta, leves
diferencias en la energía de mecanizado aplicada a
cada cara en la condición bruto de colada, además del
tratamiento térmico, heterogeneidad del material, etc.
En la figura 5 se muestran los gráficos amplificados
correspondientes a dos de las probetas. La línea recta
de referencia está en dirección ortogonal a la
deflexión.
Deflexión 40:1
Deflexión 20:1
Figura 5.- Probetas con diferente patrón de distorsión de
forma (distintos factores de amplificación)
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Los resultados de la deflexión registrada para todas las
probetas están dados en la tabla 4, expresados por los
valores medios y la semiamplitud del rango de
dispersión, correspondientes a cada combinación
conteo-tratamiento térmico.
Tabla 4.- Deflexión de las probetas
Deflexión (μm)
Tratamiento
Conteo
nodular (nód/mm2)
térmico
250
1200
1700
ADI 360
23 ± 10
51 ± 30
55 ± 25
ADI 280
108 ± 9
165 ± 116
144 ± 132
Se aprecia que los valores medios de deflexión son
mayores en ADI 280, lo que es atribuible al mayor
salto térmico de este tratamiento comparado con el de
ADI 360. La amplitud del rango de deflexión aumenta
levemente con el conteo nodular en ADI 360 y resulta
más pronunciado en ADI 280. Esto revela que la
deflexión y su rango de dispersión aumentan con la
severidad del enfriamiento y con el conteo nodular.
La magnitud de los defectos de planicidad observados
sobrepasa los valores de tolerancia de uso mas
corriente en piezas, lo que opone un serio escollo en el
propósito de eludir la fase de mecanizado correctivo
posterior al tratamiento térmico.
A fin de reducir la distorsión será menester planificar
ensayos con control mas riguroso de los factores que
la provocan, analizar separadamente sus influencias, y
utilizar los resultados para lograr un eficaz manejo de
dichos factores en producción.
-La distorsión de forma aumenta con el conteo nodular
y con la disminución de la temperatura de
austemperizado. Se requerirá mayor estudio sobre los
factores que la provocan a fin de reducir sus valores
para
evitar
mecanizados
correctivos
post
austemperizados.
5. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el apoyo brindado por la
División Metalurgia del INTEMA y la Universidad
Nacional de Mar del Plata, para el desarrollo de este
trabajo.
6. REFERENCIAS
[1] D. Novelli, J. Massone, R. Boeri, J. Sikora,
Jornadas CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA
Santiago, Chile,2002, pp 163-168.
[2] A. Giacopini, R. Boeri, J. Sikora. Material
Science and Technology, 19 (12), 2003, pp 1755-1760
[3] L.P.Dix, R.Ruxanda, J.Torrance, M.Fukumoto and
D.M.Stefanescu, Transactions of the American
Foundrymen’s Society, U.S.A., 111, 2003, paper
0333-109.
[4] A.D. Sosa, M.D.Echeverría, O.J.Moncada y
J.A.Sikora, Jornadas SAM-CONAMET, organizadas
por SAM -SOCHIM, Bariloche, Argentina, 2003, pp
254-257.
4. CONCLUSIONES
-El aumento del conteo nodular originado al disminuir
el espesor de la pieza incrementa la variación
dimensional producida en el tratamiento de ADI.
Similar comportamiento se verifica en el tratamiento
de ferritizado.
-Para espesores pequeños la variación dimensional
aumenta
al
disminuir
la
temperatura
de
austemperizado de 360 a 280ºC, mostrando la misma
tendencia observada para piezas de espesores
mayores.
-La dispersión ΔVD% de la variación dimensional,
aumenta al disminuir el espesor, pero los valores
registrados dejan márgenes de tolerancia suficientes
como para mecanizar las piezas antes del
austemperizado sin que se requieran posteriores
correcciones.
[5] L.D.Paolinelli, M.D.Echeverría, N.Míngolo y
O.J.Moncada,
Jornadas
SAM-CONAMET,
organizadas
por
SAM-SOCHIM,
Bariloche,
Argentina, 2003, pp 250, 253.
[6] J.A.Sikora, H.A.Dall'O, and G.Uriburu (h), 3rd.
World Conference on Austempered Ductile Iron,
U.S.A., I, 1991, pp 75-89.
[7] H.Dall'O, R.Dommarco, R.Boeri, and J.Sikora,
International Congress on Iron and Steel Technology
in Developing Countries, Trinidad and Tobago, 1991.
[8] O.J. Moncada, R.H. Spicacci and J.A. Sikora.
Transactions of the American Foundrymen’s Society,
U.S.A., 106, 1998, pp. 39-45.
[9]
K.Okazaki,
H.Asai,
M.Tokuyoshi,
and
H.Kusunoki, Proceedings of the 3rd. World
Conference on Austempered Ductile Iron, U.S.A I,
1991, pp 288-299.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
[10] N.S.Chang, C.Grupke, J.M.Tarajos, and
G.M.Dahl, Proceedings of the 3rd. World Conference
on Austempered Ductile Iron, U.S.A,I, 1991, pp 271287.
[11] M.Echeverría, O.Moncada, and
International, 41(1), 2001, pp 25-30.
J.Sikora. ISIJ
[12] M.D.Echeverría, y O.J.Moncada. Jornadas
IBEROMET V, organizadas por SAM, Rosario,
Argentina, 1998, pp. 287-290.
[13] A.D.Sosa, M.D.Echeverría, y O.J.Moncada, ISIJ
International, 44 (7), 2004, pp. 1195-1200.
[14] P. David, J. Massone, R. Boeri, J. Sikora. ISIJ
International, 44 (7), 2004, pp 1180-1187 .
[15] O.J.Moncada and J.A.Sikora, Transactions of the
American Foundrymen's Society, U.S.A.,104, 1996,
pp 577-580.
[16] J.Sikora, O.Moncada,, R.Martínez, R.Boeri y
J.Massone, Revista El Fundidor, 107, 1997, pp 4-10.
[17] M.D.Echeverría y O.J.Moncada. Jornadas
IBEROMET V, organizadas por SAM, Tandil,
Argentina, 1997, pp. 179-182.