Determinación del Rango Crítico de Temperaturas en Fundiciones

Revista
Determinación
Dílatornetría"
Ornar H. Quintero
Latinoamericana
de Metalurgia
y Materiales,
del Rango Crítico de Temperaturas
Vol. 3, N° 1, 1983
en Fundiciones Comerciales Mediante
Sayago
Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales. Universidad Central de Venezuela, Apartado
51717. Caracas 1050A, Venezuela.
Mediante el uso de un Dilatómetro Chevenard, se determinó el Rango Crítico de Temperaturas para la Reacción Eutectoide de
una aleación comercial Híerro-Carbono-Síltc¡o,
en donde el Grafito estaba presente bajo la forma esferoidal. Se usaron díferentesvelocídades
de calentamiento, que oscilaron entre 125 y 3000 C/hr, seguidos de enfriamientos a velocidades de 700, ~OO,
150,125,80
Y600 C/hr. Se interpretan y discuten, las curvas de dilatación en función de las transformaciones
que se suceden
durante los procesos de calentamiento y de enfriamiento de las muestras patrón usadas. Entre los resultados importantes de
este trabajo, se encontró que al calentar, la variación de la temperatura de transformación
como una función de la velocidad,
sigue un comportamiento
determinado mediante análisis de regresión, de la forma: TT ~ a + bIn Rh' Ante las controversiales
informaciones bibliográficas, esto nos conduce a expresar, por comparación, que la temperatura determinada mediante cálculo, corresponde a la crítica inferior durante el calentamiento, cuando se usan bajas velocidades de ensayo. Para el enfriamiento,
no se encontró ninguna relación particular que describiera nuestros resultados experimentales.
The Critical Temperature
Range of Commercial
Cast Irons by Dilatometry
Different heating rates in the range between 125 and 3000 C/hr followed by cooling rates of700, 300, 150, 125,80 and 60° C/hr
we re used by Dilarometry Method in order to determine rhe Cr irical Temperature
Range of one commercial nodular IronCarbon-Sílícon alloy. The dilation curves are both ínterpreted and díscussed as phase transformation dependent during their
respective heating and cooling processes. Main features of present work are: temperature
of transformation
variations on
heating follows the regression analysis model ofTT ~ a + b In Rh' Controversy found in available bibliography ler us to express
by comparison, the calculated critical temperature
corresponds to the lower critical temperature
on heating, when low
heating rates are used no particular relationshios t0 -::"scribe our experiences have found on cooling.
INTRODUCCION
La transformación de la austenita, de composición eutectoide, en el sistema hierro-carbono-silicio
[5-7], se sucede tanto por la reacción directa, austenita- ferrita + grafito, en la cual la fase grafito funciona corno sumidero de átomos de carbono [5],
como por la reacción indirecta o metaestable, .austenita - ferrita + cementita, la cual es común del sistema hierro-carbono,
en las cercanías al~ composición del eutectoide. Además, la cerneritita metaestable que constituye la perlita, puede disolverse en
las cercanías de la fase grafito [8], produciendo ferrita
libre, de acuerdo a la reacción, cementita - ferrita +
+ grafito.
Las transformaciones en.el estado sólido, se puedenobservar muyclaramente mediante el uso de un
ensayo dilato métrico [1]. En los sistemas HierroCarbono-Silicio, la presencia de este último elemento crea una región bifásica tanto en la zona del
eutéctico, como en la zona de la reacción eutectoide,
efecto que se esquematiza en la Fig, 1 [2, 3]; corno
podemos ver, difiere notablemente
del Diagrama
Hierro-Carbono. En la región bífásíca de la zona eutectoide, que está constituida por austenita y ferrita,
su amplitud depende [4] tanto del contenido de silicio, corno de otros elementos presentes, constituyendo lo que se conoce corno Rango Crítico de
Temperaturas; esta amplificación de la zona eutectoide significa [3] que se incrementan las áreas de
estabilidad del equilibrio de la austenita, de la ferrita
ydel grafito.
•
Cole [9,10], considera que hay tres factores principales que dominan la reacción eutectoide en las
fundiciones de hierro; las cuales son: la velocidad de
enfriamiento a través del rango crítico de temperaturas, la adición de elementos aleantes y la distribución
Presentado en la XXXI Convención Nacional de la Asocia
ción Venezolana para el Avance de la Ciencia. Nov. 1981.
61
Latin American fournal
I~O
o/ Me"¡t1urgy
L
1200
•
1000
~
la:
r
100
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I&.t
~
eoo
Elter cer factor principal que afecta a la reacción
eutectoide [9, 10], en los sistemas hierro-carbonosilicio, es la distribución del carbono en tqda la estructura, ya que los aros de ferrita que rodean al
grafito en las condiciones de vaciado, afectan a la
transformación [12]. De acuerdo a Lux y sus colaboradores [14], esos aros tienen dos diferentes fuentes
de origen: los denominan como "halos", cuando las
envolturas formadas alrededor del grafito prirnarío
es durante la solidificación, como una consecuencia
de la distribución del carbono alr edcdor de las partículas de grafito; llaman" capas", a las envolturas de
ferrita que se forman después de la solidificación, a
consecuencia de la difusión del carbono en el estado sólido.
234
CAReoHO.
Fig. 1.
'"
Sección del Diagrama Temario
del sistema Fe-C-Si para
un 2,0% Silicio
del grafito. La velocidad de enfriamiento tiene influencia tanto en la temperatura a la cual la austenita
se transforma, como también sobre la relación perlita-ferrita que resulta de esta transformación [3]. La
adición de elementos aleantes afecta tanto al rango
crítico de temperaturas, como al rango de formación
de.la ferrita, debido a que afecta la estabilidad de los
carburos y a la velocidad de difusión del carbono [3],
lo cual es debido a que durante el enfriamiento, la
microdistribución del silicio en la matriz influencia la
aparición de la ferrita [4]; por 10 tanto [11], la mícrosegregación tiene un poderoso efecto sobre el rango
de temperaturas,
debido a su acción controlante
so bre la localización de los núcleos de las nuevas fases
en relación a la.previa estructura dendrítica. Experimentalmente se ha demostrado [4], que cuando la
fundición se supone no aleada y el contenido en fósforo es menor a 0,20%, una fórmula empírica que
determina la localización del tope del rango crítico
durante el enfriamiento es:
(Tc,±25) °F=1300+70%
Si-70% Mn+400%P-0,5
CONDUCC¡ON
(0C) = 730
+ 28,5% Si - 25% Mn
DE LOS EXPERIMENTOS
El material usado en este trabajo, es hierro nodular hipoeutéctico comercial, cuya composición química es [11: C= 2,95%; Mn= 0,70%; Si= 2,38%;
T
E
E
rrl
Q
••
R
(1)
o
T4e
T2h
-,
"-....
2e "'-
12
10
8
./
:J
1-
siendo R, la velocidad de enfriamiento en °F/hr. Sin
embargo, de acuerdo a su autor, esta fórmula debe
usarse con precauciones, aplicándosele un factor de
seguridad conveniente. Otros autores [5-7, 12, 13),
establecen que el tope del rango crítico de temperaturas en la zona eutectoide se puede calcular mediante la expresión:
'r.,
Vol. 3, N° 1, 1983
del rango crítico de temperaturas. Los restantes autores, nada especifican sobre cuál de las temperaturas es la que se determina mediante esa ecuación 11}.
Se puede ver entonces, que hay controversiales opinio nes en relación a la temperatura de transformación de la reacción eutectoide; ello por 10 tanto, nos
dio una motivación para experimentalmente
tratar
de clarificar dudas [1] al respecto. Más aún, estas
experiencias fueron ampliadas [15], en lo que representa así una primera recopilación bibliográfica de la
dispersa información sobre este tópico; en especial,
debido a la nula información disponible sobre las curvas experimentales y las interpretaciones
de los análisis dilato métricos para estos tipos de materiales
tanto comerciales, como de investigación.
C,)
e
la:
and Materiah
~
6
w
o
o
••
§
iii
2
2
ct
o
TEMPERATURA.
(2)
sin embargo, Angus [6] YMinkoff[ 12], comentan que
esa línea representa el límite inferior del rango; pero
ella, según Rehder [4], claramente representa el tope
Fig. 2.
Curva Dilatornétríca
típica para una Fundición Dúctil,
cuando se usan bajas velocidades
62
-C.
de proceso.
Revista
Latinoamericana
de MetaIurgia
T3h:
Pr= 0,036%; S= 0.020% y Mg= 0,017%. A partir de
él, sé mecanizaron muestras cilíndricas cuyas dimensiones son 5,0 mm de diámetro y 65,0 mm de longitud, que se colocaron en el interior del horno de un
Dilatómetro Chevenard, utilizando velocidades de
calentamiento de 300, 150, Y 125 °C/hr, seguidas de
enfriamientos a velocidades de 700,300,150,125,80
Y 60 °C/hr. Los datos experimentales quedan escritos
en forma de curvas, como la que se esquema tiza en la
Fig. 2 [1], proveyéndonos de la suficiente información para la determinación de las diferentes temperaturas de transformación, las cuales fueron obtenidas
mediante las intercepciones de las proyecciones de
las líneas que siguen los cambios de pendiente para
cada tramo. Estas curvas de dilatación-temperatura,
se obtuvieron para las diferentes velocidades tanto
de calentamiento cómo de enfriamiento y para un
tiempo de mantenimiento de 10 minutos a la temperatura de 890°C.
es el primer cambio de pendiente
observa durante el calentamiento
probetas,
T2h:
representa al segundo cambio en la pendiente de la curva, durante el calentamiento y corresponde a la temperatura a
la cual se produce un cambio de pendiente
de sentido positivo a negativo,
T4c:
es el último cambio de pendiente negativa
a positiva y corresponde a.la última temperatura de transformación que observamos durante el enfriamiento.
En la tabla 1, se vacía la información obtenida a
partir de cada una de las curvas. dilatación-temperatura,_ correspondientes
a cada ensayo.
La Fig. 3, se ha construido a partir de los datos de
la Tabla 1; en esa figura se representan las temperatu-.
ras de transformación como una función de las velocidades de calentamíenro
(O) y de enfriamiento (.ó.)
usadas. Las líneas continuas, indican las temperaturas obtenidas experimentalmente
al calentar, mientras que las líneas discontinuas representan al proceso de enfriamiento. Los puntos en negro, es decir,
los puntos rellenos, corresponden a la temperatura
crítica inferior; mientras que, los puntos claros nos
indican la temperatura
crítica superior. Notemos,
que los puntos circulares son indicativos del calenta-
que se
de las
,
Y.r·a-·_·-a·-~·_._.
-·-a
,
6.
•••
•••
-.~
..
-.....
:_1._._. ,- .l-.
AA&II
corresponde
al primer cambio de pendiente que se observa durante el enfriamiento,
es el nombre dado al cambio de pendiente
positivo a negativo, durante el enfriamiento y
I '
rr:
.
T3C:
~
800
Vol. 3, N° 1, 1983
es el último cambio de pendiente negativa
a positiva, que sucede durante el calentamiento,
T4c:
La nomenclatura usada para la identificación de
cada una de las transformaciones observadas, se definieron [1] así:
T1h:
y Materiales,
.
.-. --Alr-
-.-.-.
",-'-'-'-
.
.~
-
300
(ESCALA
Fig.}.
Ilustración
del Rango de Temperaturas
funci6n de las Velocidades
de Ensayo.
de Transformación,
durante
63
LOGARITMICA)
el Calentamiento(O)
y durante
el Enfriamiento
(.0.), como
una
Latm Amencan
f ourna!
o/ Metallurgy
and Materia/s,
TABLA
Vol. 3, NQ 1, 1983
I
EFECTO DE LAS VELOCIDADES DE CALENTAMIENTO Y DE ENFRIAMIENTO,
SOBRE EL RANGO CRITICO DE TEMPERATURAS
Velocidad
°C/hr
300
300
300
300
150
150
125
125
125
125
125
125
125
125
125
125
125
125
CALENTAMIENTO
Temperatura, °C
T2h
740
780
830
780
825
705
700
780
830
710
830
775
820
700
775
825
775
705
810
710
770
700
800
775
775
805
705
770
805
705
800
670
770
810
670
765
820
780
690
810
720
760
720
805
765
810
760
690
800
670
765
800
670
770
r.,
miento y que los puntos triangulares
representar el enfriamiento.
DISCUSION
Velocidad
°C/hr
790
750
300
300
150
150
125
125
125
125
80
80
80
80
68
65
63
60
r;
se usaron para
ENFRIAMIENTO
Temperatura, °C
T3c
T4c
T2c
820
700
680
820
705
675
680
830
725
720
680
830
825,
730
695·
725
825
695
820
700
730
830
725
690
700
825
725
830
730
700
_.
730
690
825
730
705
820
710
730
700
830
725
825
725
690
820
730
690
720
825
690
730
690
dades, la austenita se forma a lo largo de los bordes de
grano de la ferrita, lo que está de acuerdo al modelo
de descomposición
de la austenita propuesto por
Brown y Hawkes [18] y sustentado experimentalmente por J ohnson y Kovacs [5]. De acuerdo a U eda y
Wade [19], otro aspecto a considerar en el proceso de
austenización es el efecto producido por la microestructura inicial, el cual no lo hemos considerado en
este trabajo.
DE RESULTADOS
Alinspecdonar
la Fig. 2, que corresponde a la
curva de dilatación-temperatura,
podemos notar que
cuando se alcanza la temperatúra Tlh durante el calentamiento, se produce un apreciable cambio en la
pendiente de la curva; eso se debe [6] a la expansión
térmica de los sistemas hierro-carbono-silicio
sin
alear, lo cual es debido a la grafitización sub crítica, ya
que a temperaturas entre 593 y 760 =C, la perlita se
descompone completamente
en ferrita más grafito
[16], sucediendo esto, antes de que aparezcan las primeras trazas de austenita, que será cuando se alcanza
la temperatura T2h [1,15]. Si observamos las temperaturas Tlh en la Tabla 1, notamos que nuestros resultados están entre esos valores de 593 a 760oe,
aunque desplazados hacia el extremo superior,
dando una temperatura promedio, T1h,pr de 699°C.
El promedio de las diferencias entre las temperaturas
de inicio de la grafitízación
subcrítíca y las de inicio
de la transformación de la austenita es de 72.8 =C,
concordando este resultado con el obtenido en la
bibliografía [16].
La transformación de la ferrita en austenita se
,inicia a la temperatura T2h y se finaliza la reacción
cuando se alcanza la temperatura T 3h; correspondiendo esta temperatura, a la crítica superior durante
el calentamiento [1]. La amplitud promedio de este
rango de temperaturas, que corresponde al rango crítico de temperaturas durante el calentamiento, experimentalmente
nos dio 41,4 0C. Si la ecuación
(2) permitiera
determinar
el tope, T3h, sería
T yh, e-ale. = 780.3 °e, con 10 cual se obt~llGhía un rango
de 50,3 -c para la aleación que fue usada; sin embargo, la temperatura inferior promedio experimental,
T2h:pr es de771,7 °e, que está aScó "C por debajo de la
calculada. La temperatura superior promedio experimental, T 3h, r es de 813,1 °C, que está a 32,8 °C por
encima del varor calculado mediante la ecuación (2).
En consecuencia, sugerimos que la temperatura T es
que se obtiene mediante cálculo, corresponde a la
crítica inferior durante el calentamiento, cuando el
proceso sucede a bajas velocidades; produciéndose
entonces; discordancia con las afirmaciones de Rehder [4]. Cuando las velocidades de calentamiento son
Es de hacer notar, que cuando se usan muy altas
velocidades de calentamiento,
el cambio de pendiente a la temperatura Tlh se suprime, debido esencialmente a't¡ue la austenita se forma alrededor de los
nódulo s de grafito [17]; sin embargo, a bajas velo ci64
Revista
Latinoamericana
de Metalurgia
y Materiales,
calentamiento como para enfriamiento, obtenemos
una diferencia de 9,5 °C, siendo el menor valor para
este último.
altas, experimentalmente
se ha demostrado [17] que
la transformación de perlita en austenita a la temperatura T 2hse suprime, haciendo que haya un cambio
en la nucleación y s,e produzca en la interfaz nóduloferrita.
Estos hechos, junto a la no obtención de un comportamiento particular para el enfriamiento y unido
a la histéresis de las transformaciones que comprobamos con nuestras curvas de dilatación-temperatura,
nos hacen afirmar con seguridad, que el subenfriamiento de la reacción eutectoide en las fundiciones
, de hierro es lo suficientemente
grande para producir
apreciables desplazamientos
en lassolub ilídades de
carbono, tanto en la austenita de composición eutectoide, como en la ferrita [1, 15], lo cual es debido a
que la difusión del silicio en la austenita, hace decrecer la solubilidad del carbono en ella [24].
A partir-de la TablaIyde las Figs. 2 y 3, se observa
que durante el enfriamiento se produce un pronunciado efecto de histéresis en las temperaturas
de
transformación. Eso se debe al efecto combinado de
la composición química y de las velocidades tanto de
calentamiento como de enfriamiento, que afectan la
formación de la ferrita [4, 20, 2.1], lo que a su vez,
afecta también a la estabilidad de la perlita [22]; por
lo tanto, cuando se alcanza la temperatura T4e, se inicia la transformación de austenita a ferrita [3, 23] Yla
reacción de la transformación de austenita a perlita
se ve suprimida hasta una temperatura T 3D debido al
subenfriamiento,
siendo éste una función del contenido de silicio [11]. Experimentalmente
estos subenfríamientos nos dan un rango promedio de 101,6 °C;
pudiéndose notar, que para muy bajas velocidades de
enfriamiento, digamos 60 a 80 °C/hr, el promedio es
de 97,5 °C; mientras que, para las mayores velocidades de enfriamiento ensayadas, 300 y 700 =Cz hr, el
subenfriamiento
promedio es de 112,5 0c.
CONCLUSIONES
Importantes resultados generados en el presente
trabajo, pueden resumirse de la siguiente manera:
a)
La dilatometría es un instrumento útil para determinar las temperaturas de transformación de
la reacción eutectoide en las aleaciones comerciales conocidas como fundiciones de hierro;
permitiéndonos
así, presentar
y discutir las
transformaciones
detectadas mediante las curvas dilatación-temperatura
y poder producir una
muy resumida contribución
hacia el entendimiento de la reacción eutectoide en los sistemas
hierro-carbono-silicio.
b)
El análisis de los resultados experimentales
nos
llevaron a concluir que la temperatura de transformación que se calcula mediante la ecuación
(2), es la crítica inferiordurante
el calentamiento, designada por nosotros como T2h, cuando las
velocidades de ensayo son bajas. Al mismo tiempo, se encontró que el comportamiento
de las
temperaturas
de transformación
durante el calentamiento,
siguen una expresión
del, tipo
T T = a + b In Rh; sin embargo, nada se pudo concluir sobre el comportamiento
al enfriamiento,
lo cual es debido a los fenómenos de microsegre. gación dendrítica producidos por Iapresencía de
altos contenidos de silicio. A "su vez, este elemento tiene marcado efecto sobre los desplazamientos de las curvas de transformación
de la
reacción eutectoide en este tipo de aleaciones
ferrosas.
Como la transformación
perlítica es una reacción controlada por difusión, ella requiere de un
tiempo de residencia que está dado por el rango de
temperaturas entre T3c Y T2c, para que se complete
totalmente la transformación.
Nuestros resultados
muestran que ese rango, en promedio es de 31,9 °C;
siendo de 30,7 =C, para las velocidades de éo a80 °C/hr
y de 33,8 °C, para las mayores velocidades de enfriamiento que ensayamos.
Mediante el uso de análisis de regresión, se obtuvieron las siguientes ecuaciones para el calentamiento:
T2h= 714,7
+ 11,3 In Rh (0C)
T3h= 685,1
+ 25,4 In Rh (0C)
Vol. 3, N° 1, 1983
y
siendo Rh, la velocidad de calentamiento, °C/hr.Sus
respectivos coeficientes de correlación son de 0,63 y
de 0,83; las desviaciones normales para ambos casos
es de 0,37. El comportamiento
experimental encontrado, está de acuerdo con los de Okumorio ysus
colaboradores [21], quienes afirman que esas-líneas
son paralelas entre sí. Cuando se analiza el enfriamiento mediante regresión, no se encuentra ninguna
relación particular que describa nuestros resultados
experimentales,
que en la Fig. 3, se han dibujado
mediante trazos discoritinuos.
Cuando se comparan las temperaturas de transformación T3h y T3c, hay una diferencia promedio de
,88,9 =C. Este subenfriamiento
es probablemente
una
indicación de la resistencia que ofrece el carbono a
disolverse enla matriz, como una consecuencia de la
microsegregación; más aún, cuando comparamos las
magnitudes promedio del rango crítico tanto para
AGRADECIMIENTOS
Damos nuestras muestras de agradecimiento al
CONICIT, por el financiamiento de estas investigaciones, según proyecto Sl-0428.
65
Latmámencan
fournal
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