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 181 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%. 182 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 184 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%, 186 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. 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