DESARROLLO DE RELACIONES PARA PREDECIR CONTEO DE PEQUEÑO ESPESOR

Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001, Septiembre de 2001
181-188
DESARROLLO DE RELACIONES PARA PREDECIR CONTEO
NODULAR Y FORMA DE GRAFITO EN FUNDICION ESFEROIDAL
DE PEQUEÑO ESPESOR
J.M.Borrajo, R.A.Martínez, R.E.Boeri, J.A.Sikora
División Metalurgia – INTEMA – Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del
Plata, J.B.Justo 4302 – (B7608FDQ) - Mar del Plata –ARGENTINA
RESUMEN
Recientemente la comunidad científica ha comenzado a estudiar en detalle la potencial
aplicación de la fundición esferoidal en la fabricación de piezas de pequeños espesores. En
particular se procura identificar las condiciones que permiten la obtención de partes libres de
defectos y con la microestructura deseada. Estos aspectos han sido examinados en detalle,
para espesores convencionales, mediante programas que modelan solidificación y
enfriamiento. En este trabajo se extiende el uso de estas técnicas a espesores menores a 5mm,
para lo cuál se desarrollaron correlaciones que vinculan parámetros característicos de la
solidificación con la microestructura, y permiten predecir la cantidad y forma de las partículas
de grafito, entre otras características.
El modelado del proceso de colada se efectúa mediante un software que permite
calcular llenado de moldes y campos de temperatura. Para verificar los resultados del
modelado, se realizaron coladas instrumentadas con termocuplas, colando para ello prototipos
de espesores menores a 5mm.
Se presentan las correlaciones desarrolladas con el objeto de vincular tiempos de
solidificación con conteo nodular y forma del grafito.
Palabras clave
Fundición nodular, Conteo nodular, Forma de grafito, Curvas de enfriamiento, Predicción.
INTRODUCCION
Las aplicaciones de fundiciones esferoidales han aumentado notablemente en los
últimos años debido a su bajo costo de producción y a la variedad de microestructuras
obtenibles, las que permiten disponer de un amplio espectro de propiedades mecánicas.
El modelado de procesos de colada en computadora es una práctica que encuentra cada
vez mayor aplicación, dado que se pueden estudiar aspectos tales como llenado de moldes,
transferencia de calor y evaluación de defectos. Estos modelos permiten perfeccionar los
procesos, reducir costos y mejorar la calidad del producto. Si el conteo nodular, la
microestructura y las propiedades mecánicas de las fundiciones esferoidales pueden
predecirse y optimizase con anterioridad a la producción, se facilita notablemente el diseño de
la colada y el control de la calidad final del producto.
Recientemente se ha prestado especial interés a la producción de piezas de fundición
esferoidal de paredes delgadas, como alternativa para reemplazar a las aleaciones de aluminio
en componentes con alta relación resistencia-peso [1]. Las piezas de FE de espesores finos, en
estado bruto de colada, reportadas en la bibliografía, presentan mayor dureza, mayor tensión
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Borrajo, Martínez, Boeri y Sikora
de fluencia y menor deformación, en comparación con las piezas de FE de espesores
convencionales de idéntica composición química [2].
Es bien conocido el notable aumento del conteo nodular que se logra con el incremento
de la velocidad de enfriamiento, como consecuencia de colar espesores delgados. Este efecto
se muestra en las Figuras 1 y 2, para placas de la misma colada y diferente espesor, coladas en
la planta piloto de la División Metalurgia-INTEMA. La Figura 1 muestra la microestructura
de una placa de 20mm con un conteo nodular de 150 nod/mm2 mientras que la Figura 2
corresponde a una placa de 2mm con un conteo nodular superior a 2000 nod/mm2.
Figura 2. Placa de 2mm
Figura 1. Placa de 20mm
El aumento del conteo nodular puede tener un efecto importante en las transformaciones
de fase en estado sólido, en la microestructura y propiedades mecánicas. La cantidad, el
tamaño y distribución de los nódulos de grafito afectan las características de la matriz. Es
reconocido que diferentes espesores de sección pueden producir conteos nodulares diferentes,
y correspondientemente una variación en la microestructura final y las propiedades. Sin
embargo la información disponible con respecto al cambio en la cantidad de nódulos debido a
la disminución del espesor de la sección todavía es escasa, en particular para las secciones de
paredes delgadas que actualmente están en pleno desarrollo. El objetivo de este trabajo es
examinar la evolución del conteo nodular y de la forma de grafito a medida que el tamaño de
sección disminuye hasta espesores de 1,5mm.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Se utilizó un horno de inducción de media frecuencia para obtener metal líquido a partir
de chatarra de acero, arrabio de buena calidad y retornos de fundición como materiales de
carga. El metal se trató con FeSi9%MgCe (2%) y se inoculó con un 0,6% de FeSi (75%Si),
usando el método sandwich y proceso de inoculación tardía. El líquido se sobrecalentó a
1440°C y se coló a 1390°C, aproximadamente
En la Figura 3 se muestran las geometrías y dimensiones de las piezas coladas, con
secciones que van de los 38,1mm a los 1,5mm. Los moldes fueron construidos con arena
seleccionada ligada con resina. Asimismo fueron instrumentados con termocuplas tipo K (con
diámetros de 1 y 0,5mm) para registrar las curvas de enfriamiento de cada una de las
secciones, por medio de una placa adquisidora de datos.
Se trabajó con fundiciones esferoidales sin alear, cuyas composiciones químicas
aproximadas estuvieron comprendidas entre los rangos: 3,84-4,78% de CE, 3,13-3,45% de C,
2,1-4,4% de Si, Mn≤ 0,28%, P≤0,05%, S≤0,03% y Mg entre 0,03 a 0,06%.
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Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
Figura 3. Forma y dimensiones de las piezas coladas
La solidificación y enfriamiento de las piezas se modeló utilizando el programa
SIMTEC (Licencia Académica de la División Metalurgia INTEMA). Se dio especial atención
se al llenado del molde, ya que en la simulación de piezas con espesores delgados éste influye
en gran medida sobre las temperaturas locales iniciales del enfriamiento.
Se tomaron muestras metalográficas del centro de cada uno de los espesores para
examinar las características del grafito. Se cuantificó el conteo nodular, la esfericidad y la
nodularidad. Se usó el analizador de imágenes Image-Pro Plus 1.3 para la determinación de
estos parámetros. En la determinación del conteo nodular fueron tenidos en cuenta aquellos
nódulos con un área mayor a 15 µm2, para las secciones mayores, y 8 µm2 para las secciones
más finas, siempre trabajando con una magnificación de 100X. La esfericidad se calculó
como la relación del área y el perímetro de los nódulos, de acuerdo a la ecuación 1.
Esfericida d =
4 ⋅ π ⋅ Area
(Perímetro )
(1)
2
Luego, la nodularidad por cantidad se estableció como:
Nodularidad por cantidad =
Número de nódulos aceptables
⋅100
Número total de nódulos
(2)
Se consideró como partículas aceptables a aquellas con esfericidad mayor a 0,5.
RESULTADOS Y DISCUSION
Conteo nodular
La evolución típica del conteo nodular a medida que disminuye la sección se muestra en
la Figura 4, para muestras de 1,6mm, 3mm, 12,7mm y 38,1mm. La cantidad de partículas de
grafito es extremadamente alta para muy pequeñas secciones, pudiendo llegar a
2400nod/mm2, mientras que para las secciones mayores de 12,7mm casi no hay variación con
respecto al cambio de sección.
183
Borrajo, Martínez, Boeri y Sikora
La Tabla 2 muestra los tiempos de solidificación característicos para secciones típicas.
Se tomó como parámetro de solidificación el tiempo, ya que éste es independiente de la
geometría y dimensiones de la pieza, permitiendo realizar extrapolaciones a otros
componentes.
A
B
C
D
Figura 4. Micrografías de fundición esferoidal a 100X. A: 1,6mm,
B: 3mm, C: 12,7mm y D: 38,1mm.
Tabla 2. Tiempo de solidificación para espesores estándar
Espesor
Tiempo de
[mm]
Solidificación [sec]
6,3
18
12,7
94
25,4
298
38,1
448
Las Tablas 3, 4 y 5 listan el conteo nodular en función del tiempo de solidificación, para
las diferentes coladas en estudio. Como era de esperar, las coladas hipoeutécticas revelaron un
menor número de nódulos que las demás composiciones, debido al menor porcentaje de
carbono. Los mayores subenfriamientos que tienen lugar en los espesores más finos, producen
un significativo incremento del conteo nodular.
El formato de ecuación que más se ajusta a la relación “tiempo de solidificación-conteo
nodular” es del tipo potencial, según lo reportado en la literatura [3,4,5], donde interviene una
constante, "A", que multiplica al tiempo de solidificación que se encuentra elevado a una
potencia, "B".
Los datos para cada composición fueron trazados para obtener las respectivas constantes
A y B. Se utilizó el método de aproximación por mínimos-cuadrados para encontrar una
función que relacione los dos parámetros. A esta altura del estudio era evidente que la
dispersión de los datos de conteo nodular era mayor que la diferencia de valores para las
distintas composiciones, por consiguiente, no parecía razonable desarrollar ecuaciones
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Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
diferentes para cada composición, dentro del rango estudiado. En consecuencia, todos los
datos obtenidos, sin tener en cuenta la composición, fueron usados para obtener una única
expresión, como muestra la ecuación 3 y la Figura 5.
CN = 3800 ⋅ t
− 0 .5
(3)
S
Tabla 3. Conteo Nodular vs
Tabla 4. Conteo Nodular vs
Tiempo de Solidificación, para Tiempo de Solidificación, para
composiciones hipoeutécticas composiciones hipereutécticas
CN
CN
tS [seg]
tS [seg]
[nod/mm2]
[nod/mm2]
441
123
443,8
202
317
131
287,5
162
254
235
225
177
70,5
177
98
228
57
294
70
353
36
495
55
798
17
434
43
1127
16,5
515
41
1007
9,3
505
41
895
6
430
19
1443
5
819
19
1726
18
887
18
1275
16,6
387
11
1890
10,5
722
10
1836
10
2423
8
2027
8
2413
7
745
Tabla 5. Conteo Nodular vs
Tiempo de Solidificación,
para composiciones eutécticas
tS [seg]
CN
[nod/mm2]
671
596
434
427
319
292
243
154
113
29
27,5
23
23
21
14
13,5
11
9,5
9,5
138
216
179
236
187
176
293
351
217
854
974
1722
1037
434
1110
2249
1145
1971
1257
2500
2250
Conteo Nodular [nod/mm2]
2000
y = 3800x
1750
-0.5
2
R = 0.68
1500
Datos
experimentales
1250
1000
Aproximación
750
500
250
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Tiempo de Solidificación [sec]
Figura 5. Datos y aproximación potencial para los datos experimentales.
185
Borrajo, Martínez, Boeri y Sikora
Usando la expresión 3 es posible calcular, con aproximación razonable, el conteo
nodular en cualquier parte de un componente dado, conociendo el tiempo de solidificación.
Este tiempo puede medirse, o bien puede calcularse por medio de modelado en computadora.
Al Alagarsamy [6] y Askeland-Grupta [3] realizaron estudios de la variación del
número de nódulos en función del tiempo de solidificación para espesores convencionales.
Una comparación con sus resultados se hace en la Figura 6. La información para piezas de
secciones delgadas aún no se ha reportado en la bibliografía. La mayoría de los investigadores
utiliza el espesor [1,2,7,8,9] o el módulo [10] como parámetro independiente. Esto es
inconveniente, ya que en ninguno de los dos casos se tiene en cuenta la influencia que ejerce
el resto del componente sobre la velocidad de enfriamiento del espesor en estudio.
2500
2250
Conteo Nodular [nod/mm2]
2000
1750
Autores
1500
Al Alagarsamy
1250
Al Alagarsamy
1000
Askeland-Gupta
750
Askeland-Gupta
500
250
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Tiempo de Solidificación [seg]
Figura 6. Comparación de resultados con otros autores
La Figura 6 muestra buena correspondencia entre los resultados de otros autores y de
este estudio, al menos para las secciones convencionales.
Forma del Grafito
La forma del grafito también se estudió en relación al tiempo de solidificación. La
forma de grafito fue caracterizada por medio de dos parámetros diferentes, la esfericidad
promedio, EP (ecuación 1), y la nodularidad por cantidad, NPC (ecuación 2). Las Tablas 6, 7
y 8 muestran los resultados, así como los valores de nodularidad estimada según los gráficos
de la norma AFS (ASTM UN 247-67) [11]. Ambos parámetros, EP y NPC, varían dentro de
un rango similar de aproximadamente un 25%, aunque la dispersión de la esfericidad
promedio es mayor. Pareciera que este parámetro es más sensible a la variación del tiempo de
solidificación que la nodularidad. Ambos presentan una clara tendencia a aumentar con la
disminución del tiempo de solidificación, sin embargo no fue posible determinar una
correlación precisa.
Para las condiciones experimentales presentes, todas las muestras de espesor menor a
6mm (correspondientes a un tiempo de la solidificación de aproximadamente 19 segundos)
poseen una esfericidad promedio y nodularidad por cantidad mayor a 0,80, o 90%,
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Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
respectivamente. Esto corresponde aproximadamente a un nodularidad visual, según gráficos
normalizados, mayor al 80%.
Tabla 6. Esfericidad y
Tabla 7. Esfericidad y
Tabla 8. Esfericidad y
Nodularidad vs. Tiempo de
Nodularidad vs. Tiempo de
Nodularidad vs. Tiempo de
solidificación (hipoeutéctico)
solidificación (hipereutéctico)
solidificación (eutéctico)
tS [seg] EP
NPC ASTM tS [seg] EP
NPC ASTM tS [seg] EP
NPC ASTM
441
0,83 91,49
80
443,8 0,84 93,84 80-90
671
0,72 79,32
70
317
0,82 94,54
80
287,5 0,82 90,85
80
596
0,74 87,27
70
254
0,80 89,26
70
225
0,72 77,86
70
434
0,80 91,00
80
70,5 0,81 90,42
80
98
0,82 93,45
80
427
0,80 91,47 70-80
57
0,79 89,11
70
70
0,80 91,45
80
319
0,76 84,59 70-80
36
0,85 94,55 80-90
55
0,89 96,63
90
292
0,70 76,15
60
17
0,88 95,71
90
43
0,90 96,20 100
243
0,82 93,33
80
16,5 0,93 99,30 90-100
41
0,81 92,69
80
154
0,87 95,23
80
9,3
0,93 95,31 90-100
41
0,89 95,42 90-100
113
0,71 80,62
70
6
0,94 96,09 90-100
19
0,83 92,80
80
29
0,89 95,59 90-100
5
0,87 96,22
80
19
0,91 96,59
90
27,5 0,88 96,16
90
18
0,87 95,49 90-100
23
0,93 97,59 100
18
0,90 95,31
90
23
0,92 96,40 90-100
16,6 0,88 96,93
90
21
0,81 90,36
11
0,94 97,74
90
14
0,92 96,79 100
10,5 0,89 93,12 100
13,5 0,93 96,61 100
10
0,85 91,19
80
11
0,93 97,32 100
10
0,95 98,31 100
9,5
0,94 98,05 100
8
0,94 98,01
9,5
0,92 97,14 100
8
0,94 97,31 100
7
0,86 89,38 80-90
Se hallaron correlaciones entre el conteo nodular y los parámetros que caracterizan la
forma del grafito como las mostradas en las Figuras 7 y 8. En ambos casos las mejores
aproximaciones se obtuvieron usando una expresión logarítmica.
Las correlaciones son:
(4)
EP = 0.06 ⋅ Ln (CN ) + 0.49
100
1
95
0.95
Esfericidad Promedio
Nodularidad Por Cantidad
NPC = 3.8 ⋅ Ln (CN ) + 69
90
85
80
NPC = 3.8Ln(CN) + 69
2
R = 0.44
75
(5)
0.9
0.85
0.8
EP = 0.06Ln(CN) + 0.49
2
0.75
R = 0.62
0.7
70
0
500
1000
1500
2000
Conteo Nodular [nod/mm2]
2500
0
500
1000
1500
2000
2500
Conteo Nodular [nod/mm2]
Figura 7. Datos experimentales y aproximación
para NPC
187
Figura 8. Datos experimentales y aproximación
para EP
Borrajo, Martínez, Boeri y Sikora
Las ecuaciones 3, 4 y 5 proporcionan una valiosa herramienta para estimar el conteo
nodular y la forma de grafito en fundiciones esferoidales para un amplio rango de espesores
de pared. Estas expresiones pueden usarse para construir una rutina adicional a cualquier
programa de solidificación y así cumplimentar la predicción de microestructura, que por lo
general abarca a la predicción de perlita, ferrita y carburos.
CONCLUSIONES
1. Para las fundiciones esferoidales de pequeños espesores el factor que más afecta el
conteo nodular es la velocidad de enfriamiento, mientras que el carbono equivalente, no
influye mayormente.
2. Se halló una correlación que permite estimar el conteo nodular a partir del tiempo de
solidificación, para cualquier sector de la pieza.
3. Tanto la nodularidad por cantidad, como la esfericidad promedio, aumentan con la
disminución del espesor de pared. Si bien no pareciera existir una relación directa entre la
forma de grafito y el tiempo de solidificación, se desarrollaron correlaciones logarítmicas
entre el conteo nodular y la forma de grafito.
4. Los espesores menores a 6mm, aproximadamente 19 segundos de tiempo de
solidificación, presentaron una esfericidad promedio y nodularidad por cantidad muy alta,
superior a 0,80 y 90% respectivamente.
REFERENCIAS
1. K.Davis, M.Sahoo, A.Javaid. Effect of chemistry and processing variables on the
mechanical properties of thin wall iron castings, AFS Casting Congress, April 8-10,
2000.
2. F..Mampaey, Z.Xu. Mold filling and solidification of thin-wall ductile iron casting,
AFS Transactions, 95-103, 1997.
3. D.Askeland, S.Gupta. Effect of nodule count and cooling rate on the matrix of
nodular cast iron, AFS Transactions, 313-320, 1975.
4. J.Lacaze, M.Castro, G.Lesoult. Solidification of spheroidal graphite cast irons,
Report no.13067 CTIF (Centre Technique des Industries de la Fonderie) 1998.
5. J.Borrajo, R.Martínez, R.Boeri, J.Sikora. Predicción del conteo nodular en
fundiciones mediante el análisis de curvas de enfriamiento, Jornadas SAM2000 - IV
Coloquio Latinoamericáno de Fractura y Fatiga, Neuquen, Argentina, 131-139,
2000.
6. Al Algarasamy. Influence of section size on microstructure and mechanical
properties, Ductile Iron Handbook AFS, 197-203, 1992.
7. J.F.Wallace, P.Du, H-Q.Su, R.J.Warrick, L.R.Jenkins: The influence of foundry
variables on nodule count in ductile iron, AFS Transactions, 813-834, 1985.
8. D.Stefanescu, R.Warrick, L.Jenkins, G.Chen, F.Martínez. Influence of the chemical
analysis of alloys on the nodule count of ductile iron, AFS Transations, 835-848,
1985.
9. C.Labrecque, M.Gagné. Development of carbide free thin-wall ductile iron castings,
AFS Casting Congress, April 8-10, 2000.
10. S.I.Karsay. Ductile iron, state of the art 1980.
11. Foundrymen's guide to ductile iron microstructures, AFS publication, 1984.
188