INFLUENCIA DEL CONTEO NODULAR SOBRE EL REFINAMIENTO

Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001, Septiembre de 2001
149-156
INFLUENCIA DEL CONTEO NODULAR SOBRE EL REFINAMIENTO
DE LA MACRO Y MICROESTRUCTURA DE SOLIDIFICACION DE
FUNDICIONES ESFEROIDALES EUTECTICAS.
G. Rivera, R. Boeri, J. Sikora
División Metalurgia – Facultad de Ingeniería - INTEMA – UNMDP
J. B. Justo 4302 – (7600) Mar del Plata – Argentina
RESUMEN
En el presente trabajo se analiza la influencia del conteo nodular sobre el grado de
refinamiento de la macroestructura de solidificación (estructura de grano) y sobre la
microestructura de solidificación de fundiciones esferoidales (FE) eutécticas.
Se estudian FE eutécticas, solidificadas en moldes de arena, que presentan igual
composición química, igual tamaño de pieza, y distinto conteo nodular, producido por la
utilización de distintos procesos de inoculación. Se efectúa la caracterización de la macro y la
microestructura de solidificación, mediante procedimientos desarrollados anteriormente por
los autores.
Los resultados obtenidos permiten concluir que, en piezas de igual composición
química e igual tamaño, el incremento del conteo nodular no tiene influencia sobre la
macroestructura de solidificación y no produce, en la microestructura de solidificación, un
refinamiento de la microsegregación equivalente al refinamiento del grafito.
Palabras clave
Inoculación, fundición esferoidal, macroestructura de solidificación, dispersión de
microsegregación
INTRODUCCIÓN
El conteo nodular, determinado por la cantidad de partículas de grafito esferoidal por
unidad de área, es el parámetro habitualmente utilizado para caracterizar la calidad y grado de
refinamiento de una fundición esferoidal (FE) eutéctica.
La mayoría de los trabajos en los cuales se analiza la influencia del conteo nodular
sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de FE eutécticas, se basan en un modelo
de solidificación en el cual cada unidad de solidificación se considera formada por un solo
nódulo envuelto por austenita, razón por la cual se lo denomina modelo uninodular. Este
modelo predice que las regiones microsegregadas correspondientes a las últimas zonas en
solidificar se distribuyen en la microestructura de acuerdo a lo indicado, por las zonas gris
oscuro, en la Figura 1-c [1,2,3,4,5]. Por esta razón recomiendan utilizar técnicas eficientes de
inoculación, que logren incrementar significativamente el conteo nodular, con el objetivo de
obtener mayor refinamiento de la estructura de solidificación, microsegregación más dispersa,
microestructuras más homogéneas y mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, hasta el
momento no se han obtenido resultados contundentes, que permitan validar esta hipótesis. Es
importante aclarar que las transformaciones de fase en estado sólido que tienen lugar durante
el enfriamiento hasta temperatura ambiente, enmascaran la estructura de solidificación y
dificultan su revelado mediante metalografía clásica, razón por la cual se proponen diferentes
149
Rivera, Boeri y Sikora
modelos para representarla. Los autores de éste trabajo, en experiencias anteriores, han
logrado revelar la estructura de solidificación [6,7]. En base a sus observaciones han
propuesto el modelo esquematizado en la Figura 2 [8]. En este modelo la estructura de
solidificación está formada por granos de austenita eutéctica (Figura 2-c). Las regiones
microsegregadas, y por lo tanto las inhomogeneidades microestructurales asociadas a ellas, se
presentan entre los brazos de la austenita dendrítica de cada grano, de acuerdo a la
distribución de las regiones gris oscuro en la Figura 2-f. Las líneas punteadas, que unen las
zonas microsegregadas mas próximas, fueron trazadas manualmente para determinar áreas
cerradas denominadas células. La división manual en células se realizó con la intención de
obtener un parámetro para la cuantificación del grado de refinamiento de la austenita y de la
dispersión de la microsegregación, y no se corresponde con una división física real.
El presente trabajo tiene el objetivo de analizar la influencia del conteo nodular sobre el
grado de refinamiento de la macroestructura de solidificación (estructura de grano) y de la
microestructura de solidificación de FE eutécticas, con igual composición química y
provenientes de piezas de igual tamaño.
c
a
b
Figura 1. Secuencia esquemática de la solidificación eutéctica de FE, según modelo
uninodular
150
Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
Figura 2. Secuencia esquemática de la solidificación eutéctica de FE, según el modelo de los
autores [8]
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Materiales
Se utilizan dos coladas de FE eutéctica, denominadas IT e IC, producidas en la planta
piloto de la División Metalurgia del INTEMA con igual composición química y distintos
procesos de inoculación. La fusión se realizó en horno de inducción. Las coladas fueron
tratadas con 2% en peso de Fe-Si-Mg-Ca-Ce (9%Mg) e inoculadas con 0.65% en peso de
FeSi (75%Si). La colada IT fue posinoculada en el molde (utilizando pastillas de Tenbloc tipo
ZR de 20.5 mm de diámetro y 10 g de peso), y la colada IC no fue sometida a este
tratamiento.
Se colaron redondos de 20 mm de diámetro y 100 mm de longitud.
Técnicas de inoculación en el molde
Una de las técnicas consistió en colocar en el bacín de colada del molde cilíndrico, una
pastilla de Tenbloc perforada con un orificio de 8 mm de diámetro que ofrece un área de
contacto, para el metal fundido que pasa a través del orificio, equivalente al área de contacto
cuando el metal moja la superficie circular de la pastilla. Las muestras provenientes de los
redondos posinoculados mediante esta técnica tienen la identificación ITPA .
La otra técnica utilizada consistió en colocar una pastilla del posinoculante en el canal
de colada de un molde de bloque Y (ASTM A395), especialmente preparado para llenar por
rebalse de dicho molde, otro molde cilíndrico de 20 mm de diámetro. Las muestras
provenientes de los redondos posinoculados mediante esta técnica tienen la identificación
ITRE.
La composición química y características de la fase grafito, de las coladas utilizadas, se
detallan en la Tabla 1.
Tabla 1. Composición química y características de las muestras
Composición Química
Colada
IC
IT
ITRE
ITPA
C
Si
Mn
Cu
Ni
Mg
3.26
2.71
0.22
0.35
0.33
0.048
3.26
2.82
0.22
0.35
0.33
0.057
Tam.
pieza
Red.
20mm
Red.
20mm
Característica
Nodular
Nód/
%Nod. Tam.
mm2
100
6
311
100
100
6
6
447
536
Técnicas metalográficas
Para el revelado de la estructura de solidificación se utilizaron dos técnicas
metalográficas desarrolladas anteriormente por los autores:
Técnica de macroataque
Esta técnica permite revelar macroscópicamente los granos de austenita eutéctica, como
puede observarse en la Figura 3. La hipótesis de partida para el desarrollo de ésta técnica fue
producir una microestructura, a temperatura ambiente, compuesta por fases que precipiten
151
Rivera, Boeri y Sikora
guardando una relación de orientación cristalina con la austenita original [7]. Consiste en la
aplicación de un ciclo térmico, denominado por los autores DAAS, y posterior ataque con
Picral 4%. Las muestras así obtenidas presentan matriz ausferrítica formada directamente a
partir de la austenita eutéctica.
Las muestras con macroataque son fotografiadas, y sobre las copias fotográficas se
contornean manualmente los granos. Mediante un programa de análisis de imágenes se mide
el área promedio de grano eutéctico (Agrano). Luego, el número de granos por unidad de área
(Ngrano) se calcula como (Agrano)-1.
Figura 3. Macrografía de la colada IC sometida a ciclo térmico DAAS y ataque con Picral
Técnica de microataque
Esta técnica permite revelar la microestructura de solidificación a partir del revelado de
los patrones de microsegregación originados durante la solidificación [6]. Consiste en un
ataque color, con un reactivo químico que revela las zonas microsegregadas correspondientes
a las últimas regiones en solidificar, identificadas con flechas en la Figura 4-a.
Las muestras con microataque son fotografiadas y sobre las copias fotográficas se unen,
manualmente, las zonas microsegregadas reveladas y se determinan las células (Figura 4-b).
Figura 4-a. Micrografía en blanco y negro de la colada IC con ataque color
152
Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
100
µm
100µm
100 µm
Figura 4-b. Micrografía en blanco y negro de la colada IC con ataque color. Células
contorneadas manualmente. Igual zona que en Figura 4-a
El grado de refinamiento de la fase austenita es representado mediante el conteo de
células por unidad de área de análisis (Nc) mientras que el grado de refinamiento de la fase
grafito es expresado mediante el conteo de partículas de grafito esferoidal por unidad de área
de análisis (Nn).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Influencia del conteo nodular sobre la macroestructura de solidificación
En los trabajos de Mizoguchi T. et al [9] se concluye que el grafito es un nucleante
efectivo para la fase austenita. Entonces, para el caso particular de las FE, sería esperable que
al incrementar la cantidad de partículas de grafito esferoidal (incremento del conteo nodular),
se obtuviera mayor refinamiento de la estructura de grano o macroestructura de solidificación.
En la Tabla 2 se listan los valores de área promedio de grano eutéctico (Agrano) y de
número de granos por unidad de área (Ngrano) para las muestras provenientes de la colada sin
inoculación tardía (IC) y de las coladas posinoculadas en el molde (ITRE, ITPA). Se observa
que los valores son similares para todas las coladas, razón por la cual se puede concluir que,
en piezas de igual composión química e igual tamaño (igual velocidad de enfriamiento), el
conteo nodular no tiene influencia sobre la macroestructura de solidificación o estructura de
grano de FE eutécticas.
Tabla 2. Caracterización de la macroestructura de solidificación
Ngrano
Agrano
Colada
2
[mm ]
[granos/mm2]
1.57
0.64
IC
1.62
0.62
ITRE
1.45
0.69
ITPA
153
Rivera, Boeri y Sikora
Influencia del conteo nodular sobre la microestructura de solidificación
Se analizó también, a nivel microscópico, la influencia del conteo nodular sobre la
austenita dendrítica eutéctica y sobre la dispersión de las regiones microsegregadas.
En la Figura 5 se observan las microestructuras de solidificación de las muestras con
microataque correspondientes a las coladas IC, ITRE , ITPA. Se puede observar que no
presentan diferencias notables en cuanto a las características de las regiones microsegregadas.
50µm
Figura 5-a. Micrografía en blanco y negro de la colada IC con ataque color
50µm
Figura 5-b. Micrografía en blanco y negro de la colada ITRE con ataque color
154
Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
50 µm
Figura 5-c. Micrografía en blanco y negro de la colada ITPA con ataque color
En la Tabla 3 se listan los valores de los conteos nodulares (Nn) y conteos celulares
(Nc) de las coladas analizadas. Se observa que los conteos celulares (refinamento de
austenita) aumentan levemente cuando los conteos nodulares (refinamiento de grafito) se
incrementan marcadamente. Si en la Tabla 4, se comparan las coladas IC e ITRE, se observa
que un incremento del 44% en el conteo nodular se acompaña de un incremento del 13% en el
conteo celular. Comparando las coladas IC con ITPA, se observa que un incremento del 72%
en el conteo nodular se acompaña de un incremento de sólo el 20% en el conteo celular. De
acuerdo a éstos resultados si se quisiera aumentar un 70% el refinamiento de la austenita o
dispersión de la microsegregación (aumentar 70% Nc), se debería aumentar más de un 200%
el conteo nodular, lo cual es prácticamente muy difícil.
Tabla 3. Conteos nodulares y conteos celulares
Colada
IC
ITRE
ITPA
Nn
[Nód/mm2]
311
447
536
Nc
[Cél/mm2]
60
68
72
Tabla 4. Incrementos porcentuales de Nn y Nc
Comparación
Increm. % de Nn
Increm. % de Nc
44
13
IC - ITRE
72
20
IC – ITPA
Estos resultados permiten concluir que, en piezas de igual composición química e igual
tamaño, el incremento del conteo nodular, contrariamente a lo habitualmente aceptado, no es
el recurso apropiado para dispersar la microsegregación y homogeneizar la microestructura.
155
Rivera, Boeri y Sikora
CONCLUSIONES
1. Las técnicas de inoculación en el molde, implementadas en este trabajo, permitieron
incrementar el conteo nodular en hasta un 70%
2. El conteo nodular no tiene influencia sobre la macroestructura de solidificación o
estructura de grano de FE eutécticas.
3. Un incremento del 70% del conteo nodular, logrado mediante técnicas de posinoculación
en el molde, se acompaña de un incremento de la dispersión de la microsegregación de
sólo el 20%.
4. Las recomendaciones habituales para dispersar la microsegregación y homogeneizar la
microestructura en FE eutécticas, basadas en el aumento del conteo nodular, deben ser
cuidadosamente revisadas.
5. El refinamiento de la fase austenita debería ser mejor estudiado.
AGRADECIMIENTOS:
A la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica y a la UNMDP
por el aporte económico a través de los proyectos BID 1201/OC-AR PID 6150 y
15G084
REFERENCIAS
1. J. Liu, R. Elliott. The influence of cast structure on the austempering of ductile iron. Part1:
Modelling of the influence of nodule count on microsegregation, International Journal of
Cast Metals Research, Vol. 10, 301-305, 1998.
2. J. Liu, R. Elliott. The influence of cast structure on the austempering of ductile iron. Part2:
Assessment of model calculations of microsegregation, International Journal of Cast
Metals Research, Vol. 12, 75-82, 1999.
3. J. Liu, R. Elliott. The influence of cast structure on the austempering of ductile iron. Part3:
The role of nodule count on the kinetics, microstructure and mechanical properties of
austempered Mn alloyed ductile iron, International Journal of Cast Metals Research, Vol.
12, 189-195, 1999.
4. C. Loper, R. Gundlach. Inoculation, what is it and how does inoculation work?,
International Inoculation Conference Proceedings, AFS, 1998
5. T. Shih, Z. Yang. Effect of nickel and processing variables on the mechanical properties
of austempered ductile irons, International Journal of Cast Metals Research, Vol. 10, 335344, 1998
6. G. Rivera, R. Boeri, J. Sikora. Revealing the solidification structure of nodular iron, Cast
Metals, Vol. 8, 1-5, 1995
7. R. Boeri, J. Sikora. Solidification macrostructure of spheroidal graphite cast iron.
International Journal of Cast Metals Research, Vol. 13, 307-313, 2001
8. J. Sikora, R. Boeri, G. Rivera. Characteristics of austenite in ductile iron: its influence on
the microstructure and properties. Proceedings of the International Conference on The
Science of Casting and Solidification, Brasov, Rumania, 321-329, 2001
9. T. Mizoguchi, J. Perepezco, C. Loper. Nucleation during solidification of cast irons, AFS
Transactions, 89-94, 1997
156