PDF (Respuesta a los tratamientos térmicos)

2
2.1.
RESPUESTA A LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
NORMALIZADO
Comúnmente denominado perlitización.
El normalizado con -
siste en llevar material a temperatura de austenización
y
mantenerlo cierto tiempo, permitiendo que la austenita
se
sature de carbono para que posteriormente durante el en
-
friamiento se produzca la transformación perlítica.
En general el normalizado aumenta la resistencia a la tra£
ción y el limite elástico pero disminuye la ductilidad.
Con el normalizado se puede pasar de una fundición con matriz ferrítica, grado ASTM 60-40-18 a una fundición
con
matriz perlítica, grado ASTM 100-70-03. Esto implica
que
para una misma composición química y dependiendo del trat¿
miento térmico efectuado, obtenemos diferente matriz y por
tanto, diferentes propiedades mecánicas,
2.1.1. Descripción del ciclo de normalizado.
El ciclo de normalizado recomendado es el siguiente :
33
Temperatura de a u s t e n i z a c i ó n e n t r e 870° y 940°C, tiempo de
austenización 1 hora más 1 hora x 25.4 mm. de espesor y en
friamiento a l a i r e
940
870
(Ref, 7 y 2 ) .
Ih + 1hx25.4 mm.e
_ Ai i J e i l p ' ^ríHco)
Ve (aire)
V : Velocidad de enfriamiento
Tiempo
Figura 3
2.1.2.
Ciclos utilizados
Para realizar el normalizado elegimos un ciclo base y pa
ralelamente realizamos otros ciclos con diferentes tempe
raturas de austenización.
El ciclo base se ilustra en la figura 4.
i
34
tiempo
Figura 4
En este ciclo base elegimos la temperatura de austeniza ción igual a 900°C con los siguientes criterios :
a)
La austenización ocurre en el diagrama estable (Dia -
grama de equilibrio) y el porcentaje de carbón que se puje
de disolver en la austenita está determinado por la temp^
ratura de austenización utilizada.
El enfriamiento se da
según el metaestable (Diagrama de no Equilibrio), cuyo
eutectoide corresponde a 0,8 % de Carbono.
Por tanto,con
mínimo 0.8 % de Carbono,soluble en la austenita del dia grama estable se garantiza la formación de 100 % de per lita en el diagrama metaestable.
En el diagrama estable (fig.2) se determina para 0.8 % de
35
Carbono la temperatura que se requiere para tener este poje
centaje de carbono en la austenita.
Esta situación se
ilustra con más detalles en la Figura 5.
b)
Al tomar 900°C
como temperatura de austenización, es-
tamos dentro del rango de temperaturas recoraendadas para
realizar el normalizado.
5 %C
36
En el ciclo (Figura 4) utilizamos diferentes tiempos de
austenización con el propósito de determinar el tiempo requerido para la austenización y homogenizacicn de la ma triz.
Esto se puede detectar cuando después del enfria -
miento se obtiene una matriz completamente perlítica.
El
grado de perlitización obtenido en cada uno de los tiempos
utilizados se determina por medio de medición de dureza y
observación metalográfica.
Los tiempos utilizados en el ciclo (Fig.4) fueron
t ^ = 10
minutos, t2 = 20 minutos, t3 = 30 minutos, t¿^ = 45 minutos
y t5 = 60 minutOFj.
Los otros cielos realizados fueron los siguientes :
T^C
950
Ve (aire)
Ve (aire)
Tiempo
Figura 6
Tiempo
37
Estos ciclos (Fig.6) también se realizaron a tiempos diferentes comprendidos entre 15 y 80 minutos.
El objeto de realizar estos ciclos es :
a)
Tratar de verificar experimentalmente el primer crite-
rio con que se seleccionó la temperatura de 9O0*C, o sea
el criterio "a".
b)
Tener un conocimiento más amplio de lo que ocurre en
el normalizado y poder seleccionar experimentalmente la
temperatura adecuada para normalizar las fundiciones nodulares con matriz ferrítica.
c)
Tratar de obtener una relación óptima entre tiempo y
temperatura de austenización.
2.1.3.
Condiciones del ensayo
El normalizado lo ejecutaremos primero sobre las 12 cola das que presentan matriz ferrítica al estado de entrega.
Las 6 coladas que presentan matriz perlito-ferritica pri mero se ferritizarán y posteriormente se normalizarán. Las
2 coladas que presentan matriz perlítica se someterán inicialmente al proceso de ferritización.
Los diferentes normalizados se efectuaron en un horno mar-
38
ca "solo". Dentro del horno se instala una caja metálica
con virutas de fundición y en ésta se introducen las probetas metalográficas.
Esto se hace con el fin de evitar
la descarburación de las probetas.
Las temperaturas se controlaron por medio de termocuplas
y los tiempos con cronómetro,
a)
Probetas utilizadas :
Las probetas utilizadas en los ensayos de normalizado son
del tipo metalográfico.
En todo momento se procuró que
las probetas se ajustaran a las dimensiones de la figura
7, tratando de que la masa fuese uniforme, pues diferen cias de masa conllevan a diferencias de temperatura para
un mismo tiempo.
10-
5
Escala 1:1 mm
Figura 7
39
b)
Precisión de las mediciones
0.1 % t
i.
Multímetro : í
ii.
Termocupla Philips tipo K
t,
2.2°C
í
0.75 % desde 300°C
0.01 mv
hasta 300°C
Por tanto, la precisión de las temperaturas utilizadas es :
iii.
900°C
í
12''C
840°C
í
10°C
950°C
i
15°C
Cronómetro : _
1 segundo.
Por tanto, la precisión
de las mediciones del tiempo tomado es :
No. minutos i
2.2.
1 segvindo.
RESULTADOS DEL NORMALIZADO
2,2.1. Dureza
Durante el normalizado la dureza de la fundición nodular
ferrítica "As Cast" aumenta debido al cambio que ocurre
en la matriz, la cual pasa de ferrítica a perlítica.
La
variación de dureza que se obtiene por sostener el material un determinado tiempo a temperatura de austenización
se registra en las gráficas : Dureza Brinell contra tiem
40
po de sostenimiento a cada una de las temperaturas utilizadas.
Sobre cada probeta se tomaron cinco valores de dureza.
En
las gráficas se utiliza la dureza promedio, la dureza má xima y la dureza mínima.
-
Nomenclatura de las gráficas.
T^
:
Temperatura de austenización
tg
:
Tiempo de sostenimiento a T^
XX.ZZ :
El primer número XX indica la colada.
El segun-
do número ZZ indica la probeta.
Ejemplo 10.5 significa colada No. 10, probeta 5.
HB/2.5 mm/187.5 Kg.
carga 187.5 Kg,
: Dureza Brinell, bola de 2.5 mm,
(la banda indica la dispersión).
El signo + indica la dureza promedio : HB
El signo ® indica la dispersión máxima y mínima
y
41
GRÁFICAS
DUREZA
B R I N E L L , Vrs
Colado
ta
N° I
Ta ( i n i n )
t a (min )
HB
i
(Kg/mm^)
42
300
to (min )
HB
( Kg/mm2)
Colacio
N° 4
300
to
(min)
ColocJo N° 5
43
300
ta ( min )
Colado N°6
t o ( min )
Coloda N" 7
44
120
10
20
30
Colado
10
20
30
40
50
60
t o { min )
50
60
ta ( mín)
N" 8
40
HB
t
(Ko/mm2)
Colado
N* 9
45
to ( m i n )
Colado
HB
I
N** 10
(Kg/mm2)
60
t a { min )
C e l o do N'' 11
46
ta (min)
Coloda N° 12
to (min)
Colado
47
N*» I
To= 8 4 0 °C -
ICC
60
Colado
N°2
To= 8 4 0 O C Í IO<»C
to (min)
Colado
HB
N^S
(Kg/mm2)
48
To = 8 4 0 "C 1
lO^C
280260'
_,.
o
240-
^ - - - "
o
"
0
-•
• "
'U
^ ^ ^ ^ " ^
'
220-
z;^^
200-
^
"
^ " ^ ^ ^
^
1801601403.01? n -
36
1
- 1 —
10
20
-1.-
3.7
1
..
30
(Kg/mm2)
1
38
-
40
Coloda
J-
.. . X
50
3.9
.-L-
1
60
70
80
to ( m i n }
N*» 4
1 0 = 8 4 0 <*C ± l O ^ C
1^4 0
4.6
I
120
10
20
30
4.7
4.8
I
I
40
50
4.9
4.10
_i
60
70
80
to (min )
Coloda
N''5
49
t o ( min )
Coloda
N«>6
To = 9 5 0
" C l 15 « C
6.10
6.9
—J
_ J —
40
50
60
to (min )
50
Colodo
N" 7
To= 9 5 0 *C í
IS^C
7. 10
7.9
_!
1
40
50
60
70
!-•
80
to (min )
51
2,2.2.
Observaciones Generales
1, h l observar los resultados de dureza obtenidos en
el
normalizado a 900°C, impresos en las gráficas (páginas 41
a 46) vemos que en éstas, las correspondientes a las coladas No. 4 y No.11 difieren de las otras considerablemente.
Según la observación metalográfica realizada al estado de
entrega (numeral 1.6) la colada No. 4 presenta grafito
degenerado y la No. 11 presenta una matriz 60 % de perlita y 40 % de ferrita (As Cast),
2,
Las gráficas correspondientes a las coladas No,l, 2,
3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 12 presentan mucha similitud en
los valores de dureza para xm mismo tiempo de sostenimiento a T^ . Esta similitud permite construir una banda
de
dureza vs. t^ para agrupar los resultados obtenidos en estas coladas.
3. Al observar los valores de dureza para los diferentes
normalizados a 900°C se ve que la dureza va desde 140-170
HB (estado de entrega) que corresponde a matriz ferrítica,
a valores de 270-300 HB que corresponden a matriz perli tica.
4.
En general los resultados de dureza para el normaliza-
52
do a 840*C son similares para las coladas tratadas 1, 2, 3
y 4.
Esto permite construir una banda de normalizado para
T^ = 840''C. En la construcción de esta banda se excluyen
los valores de dureza de la colada No. 4 , pues ésta pre senta grafito degenerado.
5.
Para los normalizados a 840*'C deispués de 50 minutos de
sostenimiento a esta temperatura, la dureza se estabiliza
en xina valor de 220 - 240 HB, no alcanzándose los valores
cie dureza para matriz perlítica.
Estos valores de dureza
obtenidos se encuentran dentro del rango de dureza : 187 255 HB, para matriz perlito-ferritica (según recomendación
ASTM A-536-70),
6.
Los resultados del normalizado a 950**C también presen-
tan mucha similitud para las coladas tratadas (5, 6 y 7) a
esta temperatura.
Esto nos permite elaborar una banda de
dureza contra tiempo de sostenimiento a 950"C .
7.
La respuesta a 95O"C es más rápida que a 900"C y como
se observa en las gráficas de las páginas 49 y 50 a los 10
minutos de austenización a esta temperatura ya se tiene
una dureza de 285-295 HB aproximadamente que corresponde a
matriz perlítica.
53
2.2.3.
Bandas de dureza
Dado que los resultados de normalización a 900*0 , 840°C y
950''C para las diferentes coladas son muy similares, se
elaboran bandas de dureza cjue agrupen los resultados obtenidos tanto a 900*0 como a 840°y a 950*0.
En la elaboración de la banda de dureza para los normaliz¿
dos efectuados a 900*0 se excluyen las coladas No. 4 y 11
por razón anotada en el numeral 2.2.2.
Las bandas se elaboran con los valores promedios de dureza;
tomando el valor promedio máximo y el valor promedio mini mo.
La información que dan estas bandas es válida para el rango
de composición estudiado siempre y cuando se parte del es tado ferritico.
Si el estado inicial no es ferritico y se tiene una matriz
ferrito-perlítica o perlito-ferritica debe buscarse en el
diagrama estable (Fig,2, pág.8) la temperatura de austeni zación correspondiente para el porcentaje de carbón disuelto en la matriz.
54
BANDAS
DE DU R E Z A B RIN E LL Vrs
ta
GRÁFICA N° I
Ta= 9 0 0 "C í 12 "C
60
CONVENCIONES
A
HB
máximo
** H B
mínimo
ta ( mln )
55
BANDAS
DE
DUREZA
GRA F I C A
BRINELL
Vrs
to
N" 2
To= 8 4 0 ° C i
'iO°C
300-
10
20
30
40
50
C O N V E N C I O N E S
&
HB
mó X i mo
o
HB
mínimo
60
70
80
56
BANDAS
DE
DUREZA
BRINELL
GRÁFICA
N03
Vrs
to
{ Kg/mm^)
To = g s o ^ c í
150C
J,
30
40
50
C O N V E N C I Ó
A
HB
máximo
o
H D
mínimo
60
N E S
to ( min }
57
2,2.4.
Observación metalográfica
Esta, junto con la medición de dureza, constituye una he rramienta de control y análisis fundamental, cuando se re¿
lizan tratamientos térmicos. En el caso particular del
normalizado sirve para controlar el avance de perlita en
la matriz a medida que aumenta el tiempo de sostenimiento
a la temperatura de austenización.
Con esta mira, se realizó la observación de todas las probetas que fueron sometidas a tratamiento térmico.
Sin em-
bargo, dada la similitud obtenida para casi todas las co ladas, como lo comprueban los res'jltados de dureza, no se
reseñarán todas, sino un número suficiente para entender y
analizar lo ocurrido.
Para el normalizado a 900*C se re -
ferenciará lo que ocurrió con la colada No. 1, la cual es
representativa de las coladas 2, 3, 5, 5, 7, 8, 9, 10 y 12,
pues éstas 10 coladas tienen grafito tipo I y/o
II y
la
matriz de la cual se parte para realizar el tratamiento es
ferrítica, se hará la reseña de lo ocurrido con las cola das No. 4 y 11 que muestran respuestas que difieren de las
anteriores.
La colada No. 4 tiene la particularidad de
presentar grafito muy degenerado, tipo IV.
La otra colada,
la colada No. 11,tiene en el estado de entrega matriz per-
58
lito-ferrítica.
1.4, 1.5.
Se describirán las probetas 1.1, 1.2, 1.3,
La probeta 1.0, como todas las correspondientes
al estado inicial ya se referencian en la Tabla # 5, numeral 1.6.
Igualmente se hará la descripción de las probetas
4.1, 4.2, 4.3, 4.4 y 4.5.
Así mismo se describirán las pro
betas 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 y 11.5,
-
Colada No.l, T^ = 900*C
Probeta 1.1
í>resenta aproximadamente 45 % de perlita en la matriz. En
algunas partes los granos ferríticos y los perliticos aparecen alargados pero sin ninguna orientación definida.
Probeta 1.2
Presenta aproximadamente 90 % de perlita en la matriz. La
perlita es fundamentalmente gruesa (a 800 x se distingue
su forma laminada).
Probeta 1.3
La perlitización se ha dado completamente.
En los limites
de grano perlitico aparece vm poco de granos ferríticos.
En porcentaje se tiene aproximadamente un 97 % de perlita y
3 % de ferrita.
59
Probetas 1.4 y 1.5
Se presenta una situación muy similar a la descrita para la
probeta 1.3, es decir, las diferencias que pueden existir
no son apreciables.
En ninguna de las probetas la forma del grafito se ve afectada y tampoco se percibe ninguna disminución en su tamaño.
-
Colada No.4, Ta = 900*C
Probeta 4.1
Como todas las de la serie de la colada No. 4 presenta grafito tipo IV.
La perlitización de la matriz se ha dado en
un 70 %, predominando la perlita virgen.
Probeta 4.2
Presenta aproximadamente un 80 % de perlita, en su mayoría
gruesa.
En gran parte la ferrita forma red alrededor de
los granos perliticos. Existen también zonas donde apare cen granos perliticos y ferríticos.
Probetas 4.3, 4.4 y 4,5
La situación que presentan estas probetas es muy similar,
tienen aproximadamente un 70 % de perlita, es decir, para
60
ninguna se alcanza la perlitización total,
-
Colada No.11, Ta = 900*C
Probeta 11.1
La perlitización, ya es alta para 10 minutos de sostenimien
to, pues se tiene un 95 % de perlita.
La ferrita se sitúa
en los limites de granos perliticos.
Probeta 11.2
Este probeta presenta dos zonas ; una muy perlítica (aproxi^
madamente 95 %) y otra en la cual la perlitización es menor,
del orden del 65 %.
La zona de menor porcentaje de perlita
apareció en distintos sitios de la probeta, sólo consideramos la otra zona.
Probetas 11,3, 11.4 y 11.5
Presentan perlitización en un 98 % aproximadamente.
La po-
ca ferrita que existe se sitúa en los limites de"grano perlítico en forma de pequeños granos.
Con las 4 coladas normalizadas
a 840*C teunbién se obtuvie-
ron respuestas análogas, sólo la colada No,4, la de grafito
degenerado, no alcanza la dureza obtenida en las otras 3,
61
pero en términos generales la tendencia es similar en todas
las coladas. La descripción de lo ocurrido eon las probé tas de la colada No.l a 840°C puede generalizarse, por lo
tanto se hará la reseña de las probetas 1.6, 1,7, 1.8, 1.9
y 1.10.
- Colada No. 1, T^ = 840*0
Probeta 1.6
Se ha alcanzado un 25 % de perlita, la cual es fundamentalmente gruesa.
Probeta 1.7
Con respecto a la 1.6 ha aumentado algo en la perlita,
aproximadamente existe un 35 % de ella.
Probetas 1.8, 1.9 y 1.10
En éstas ya se obtiene el máximo de perlita (50 a 60 % ) , que
se puede alcanzar para la temperatura de 840*C.
En lo que respecta al normalizado a 950*0, la descripción
se hará para la colada No.6, siendo extensibles los resultados a las coladas No. 5 y No. 7 .
62
-
Colada No. 6,
Ta = 950*0
Probeta 6.6
Para esta probeta ya se obtiene prácticamente el 100 % de
perlita.
Probetas 6.7, 6.8, 6.9 y 6,10
En estas probetas, fundamentalmente a partir de la 6.8 aparece una red rodeando los granos perliticos, mediante
diferentes ataques no se pudo precisar su naturaleza, aunque teóricamente puede corresponder a cementita.
2.3,
FERRITIZACION
La ferritización es un trateuniento térmico ejecutable
fundiciones grises y nodulares.
en
Por medio de este trata-
miento se transforma una matriz perlítica (láminas alternadas de Fe (o<) y Fes C ) , en una matriz ferrítica (Fee<).
Al darse la transformación lo que ocurre es la disociación
de las láminas de cementita. De por si la cementita es un
compuesto inestable y al aumentar la temperatura su inestabilidad se incrementa., permitiendo con facilidad su diso ciación. Esta disociación está determinada por la siguien
te reacción :
63
Fe3C — - 3 Fe + C
lo que significa que se obtendrá ferrita (hierro c?<) y
carbono libre. Este carbono libre emigra o se difunde
hacia los nodulos de grafito por presentar éstos, mejo res condiciones de estabilidad energética (bajo condicio
nes de equilibrio),
Por medio de la ferritización se disminuye el limite e lástieo y la resistencia a la tracción pero se incrementa la elongación generando, por tanto, vin mejoramiento
de la ductilidad.
También se mejora la maquinabilidad.
Para lograr este mejoramiento de ductilidad se han desarrollado varios ciclos térmicos o tratamientos.
2.3.1.
Ciclos recomendados para ferritización
2.3.1.1.
Ciclo Subcrítico
Este ciclo utiliza una temperatura de 690*0 - 700*C y que
es inferior a la temperatura critica o eutectoide durante
un periodo de 5 h más 1 h x 1" de espesor, permitiéndose
la disociación de la cementita.
Transcurrido este tiempo
se enfria en el horno a una velocidad de 40*C/hora hasta
llegar a 550*0.
De 550*0 hasta temperatura ambiente, el
enfriamiento se hace al aire. Fig. 8
64
T*C I
(Temp.Critica)
690*0
Ve (Horno 40*c/h)
550*0
Vp
(aire)
-•^ tiempo
FIGURA 8
Cielo Subcrítico
2.3.1.2. Ciclo Hipercrítico
En este cielo la fundición nodular se calienta hasta tem peratura de austenización, manteniendo a esta temperatura
durante 1 hora + 1 hora x 1" de espesor. En este lapso
de tiempo se permite la homogenización de la austenita.
Transcurrido este tiempo se enfria en el horno hasta
una
temperatura de 650*C y a una velocidad menor de 20*CAiora,
Durante este lento enfriamiento (condiciones similares
a
las de equilibrio), la austenita transformará a ferrita
más grafito,
ble Fe-G),
(ciñéndose prácticamente al diagrama esta -
Este ciclo se ilustra en la figura 9,
65
T*C
10001 h + 1 h X 1" de e
900Ve (horno <20*cA)
-A'
800=
700650*0
600500-
Ve (aire)
40O300tiempo
FIGURA 9
Cielo Hipercrítico
2,3,1,3,
Ciclo de doble etapa
En este ciclo la fundición nodular se calienta hasta temperatura de austenización, manteniendo a esta temperatura
durante 1 hora más 1 hora x 1" de espesor.
En este lapso
de tiempo se permite la homogenización de la austenita.
Transcurrido este tiempo se pasan las muestras a una temperatura de 690*0.
En el paso desde la temperatura de
austenización a la de 690*C se da la transformación de la
austenita en perlita (pues el paso se hace en condiciones
de no equilibrio, ya que el enfriamiento hasta la tempe ratura de 690*0 se hace al aire).
66
A la temperatura de 690*0 se mantienen las muestras duran
te un tiempo que oscila entre 1 hora y 5 horas.
de la composición química),
(depende
En este período de tiempo se
da la disociación de la cementita produciéndose hierro
y carbono. El enfriamiento desde la temperatura de 690*0
se puede hacer al aire. Como resultado final, se tendrá
a temperatura eutibiente hierro alfa (ferrita) y carbono
(grafito),
El ciclo se ilustra en la figura 10.
Ve (aire)
T iempo
FIGURA 10
Cielo de doble Etapa
67
2.3.2.
-
Recomendaciones de utilización
El ciclo subcrítico se utiliza cuanc2o la fundición
es
de matriz perlito-ferritica o perlítica y no presenta cementita masiva. También se utiliza cuando los requerí mientos a impacto o choque no son muy severos, pues com parado con los ciclos hipercrítico y de doble etapa pro duee menor resistencia al impacto que estos dos.
-
Los ciclos hipercrítico y de doble etapa se utilizan
cuando la matriz es perlítica y además presenta cementita
masiva.
También se utilizan cuando los requerimientos de
impacto son más severos.
2.3.3.
(Ref. 7 ) .
Ciclo utilizado
Para la realización del ferritizado elegimos el ciclo
de
doble etapa, por las siguientes razones :
a) No poseemos programador tiempo-temperatura que nos
permitiese regular la velocidad de enfriamiento en el hor;
no.
b)
Es este ciclo se homogeniza la austenita y se disuel-
ven los carburos existentes, produciéndose al final una
matriz ferrítica más homogénea.
e)
Produce mayor resistencia al impacto.
68
d)
Es más fácil de controlar la transformación pudiéndose
obtener porcentajes de perlita y ferrita deseados.
Los criterios tenidos en cuenta para la realización del
cielo fueron los siguientes :
a) Temperatura de austenización.
La temperatura de aus-
tenización utilizada fue la que encontramos como temperatura óptima de normalizado (900*0), pues a ésta tempera tura la austenita sólo disuelve 0.8 % C, obteniéndose po_s
teriormente, al pasar a 690*0, 100 % de perlita.
b)
El tiempo utilizado en la austenización fue de 40 mi-
nutos, pues en los resultados encontrados en el normali zado a 30 minutos se obtiene matriz 100 % perlítica.
c)
La temperatura de sostenimiento isotérmico subcrítico
(690*0) es la recomendada, aunque no se excluye la posi bilidad de utilizar temperaturas un poco superiores o inferiores.
d)
(Ref.10).
Los tiempos utilizados en el sostenimiento isotérmico
subcrítico van desde 10 minutos hasta 6 horas.
e)
Las probetas utilizadas en los diferentes ensayos reai
lizados fueron del tipo metalográfico (ver numeral 2.1.3,
69
literal
2,4.
2.4.1.
a).
RESULTADOS DE LA FERRITIZACION
Dureza
Durante el tratamiento de ferritización, se va transfor mando la matriz de perlítica en ferrítica, por lo cual,
la dureza del material va dism.inuyendo al aumentar el
tiempo de sostenimiento a 690*C.
I^ara lograr estudiar el proceso, en cada tratamiento se
utilizaron por lo menos 5 probetas, las cuales se sostuvieron tiempos variables a 690*0.
Con esto, efectuando
medición de durezas y realizando observación metalográfica, se puede analizar el avance de la ferritización con
el tiempo.
Los resultados de durezas de presentan en
gráficos de dureza Brinell (HB) vs. tiempo de sostenimien
to a 690*0 (ts), Los criterios para la elaboración de los
gráficos son los mismos que los expuestos para los gráficos de normalizado,
-
Nomenclatura de los gráficos
Ts :
Temperaturas de sostenimiento
ts ;
Tiempo de sostenimiento a Ts
XX,ZZ : El primer número XX indica la colada.
El según-
70
do número ZZ indica la probeta.
Ejemplo :
16.5 significa colada No.16, probeta 5.
HB/2.5 mm/187.5 Kg.
Dureza Brinell, bola de 2.5
mm, y carga 187,5 Kg.
(La banda indica la dispejc
sión).
El signo + indica la dureza, promedio : HB
El signo • indica la dispersión máxima y mínima.
c o l a d a N** I
T s = 690*' c i
lO^C
c o l a d o N* 2
Ts = 690<»C± IO*C
c o l a d o N* 3
T s = 690**C t
IO*C
4 Hs.
tiempo ( t s )
colado
N* 5
T s = 6 9 0 < * C Í IO*»C
colado N*
I 3
T s = 690*»C ± IO°C
HB <
330
colado
310 -
N** I 5
T s = 6 9 0 O C - I lO^C
290 270 250 2302 10-
190170 150 -
15.1
1/
15.2
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N * 19
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mts.
4 Hs
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N* 14
T s = 6 9 0 " C i IO«>C
150 14.4
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75
105
135
165
195
1
225
4H
tiempo ( t s )
78
2,4.2, Observaciones Generales
1,
Al observar los resultados de dureza obtenidos en cl
tratamiento de ferritización realizado, impresos en
gráficas, páginas 71 a 77
las
vemos que las coladas No, 1, 2,
3, 5, 13, 15, 16, 18 y 19, alcanzan una dureza de 160 HB
para un tiempo de 5 horas de sostenimiento a 690*0 y
los
resultados obtenidos son muy similares. Esta dureza, 160
HB, corresponde a matriz ferrítica.
Las coladas No. 10 y
12 difieren considerablemente de las anteriores, pues para 5 horas a 690*0 sólo se alcanza una dureza de 220 HB.
2,
Al» observar, en la Tabla # 1, las composiciones quim_i
cas de las diferentes cc^ladas ferritizadas, vemos que to das ellas tienen el % de carbono entre 4.20 y 3,0, el % de
Silicio entre 2.78 a 2.28 y el % de manganeso entre 0.46 y
0.26, Asi mismo se ve que las coladas No,l, 2, 3 y 5 tie nen porcentajes de Cobre, Niquel y Cromo inferiores a 0.09.
Las coladas No, 13, 15, 16, 18 y 19 tienen porcentajes de
Niquel y de Cobre superiores a 0,1 y las coladas No. 10,
11, 12 y 14 tienen porcentajes de cobre superiores a 0.1 y
porcentajes de niquel inferiores a 0.04,
3,
En los resultados se puede observar que para todas las
coladas, la probeta enfriada al aire desde la temperatura
79
de austenización (900*0) presenta una dureza entre 280 HB
y 320 HB, verificando así que las probetas intrcxiucidas a
las sales, cuya temperatura era 690*0, tenían matriz perlitieeL, la cual mediante un sostenimiento a esta temperatura transforma en matriz ferrítica.
La dureza de las probetas enfriadas al aire se ubican
en
las gráficas HB vrs. tg en ts = O .
2,4,3,
Bandas de Dureza
Los resultados obtenidos en la ferritización se pueden agrupar en tres bloques :
1,
Los correspondientes a las coladas No.l, 2, 3 y 5.
Estas coladas tienen pequeñas trazas de cobre y niquel.
2,
Los correspondientes a las coladas No. 13, 15, 16, 18
y 19. Estas coladas tienen porcentajes de cobre y niquel
superiores a 0.1
3,
Los correspondientes a las coladas No. 10 y 12. Es-
tas coladas tienen porcentajes de cobre superiores a 0.1
y porcentajes de níquel inferiores a 0.04.
Los elementos base de todas las coladas tratadas están den
tro del rango dado en la observación # 2 y coinciden
eon
80
el estipulado en la Tabla # 2.
Dado que los resultados de las coladas No, 1, 2, 3 y 5 son
muy similares, se elabora una banda de dureza que los agru
pe.
Gráfico No, 4
De igual manera y por la misma razón se elabora una banda
de dureza que agrupe los resultados de las coladas No, 13,
15, 16, 18 y 19, Gráfico No, 5,
ídem para las coladas No, 10, 11, 12 y 14. Gráfico No.6 .
Las bandas se elaboran con los valores promedios de dureza; tomando el valor promedio máximo y el valor promedio
mínimo.
La información que dan estas bandas es válida para las diferentes composiciones siempre y cuando se parta del estado perlitico.
81
HB i
( Kg/mm2)
G r o f i c o N® 4
Bondo de f e r r i t i z a c i ó n
HB Vrs t s .
t e m p . de s o s t e n i m i e n t o
r o n g o de c o m p o s i c i o ' n
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3.30
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0,33
O
0.30
690*'cíio**c
química
%Si
% N i % C u */o Cr
2.78
0.07
0.08
O
O
O
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2.45
0.04
0.07
210
120
I
135
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195
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T
T
225
255
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5 Hs.
tieinpo(ts)
82
( Kg/mm2)
Gráfico
N ** 5
Bonda de f e r r i t i z a c i ó n
HB Vrs ts
temp. de sostenimien to 6 9 0 ' » C - i O ' ' c
rango de composición química
7o C
%Mn
7o Si
7o Ni
7oCu 7o Cr
4.30
O
3.0
0.47
a
0.37
2.55
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2.35
0.12
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0.0 8
o
•< 0.0 8
0^11
285
mts.
5
Hs
t i empo ( t s )
83
( Kg /mm2)
Gráfico
N*6
9 0 ° C - I o "C
ímica
i
6
2
% C u 7oCr
0.3 9
a < 0-0 5
0.15
84
2.4,4.
Observación Metalográfica
La observación metalográfica permite conocer la clase y
cantidad de transformación ocurrida en el proceso al avanzar, el tiempo de ferritización (ts a 690*C),
Mediante las diferentes observaciones realizadas pudimos
establecer que el proceso de ferritización se efectúa
en
tres etapas, a saber :
1*
El espesor de las laminillas de cementita y de ferri-
ta que componen la perlita va aumentando, es decir, la per.
lita se va haciendo cada vez más gruesa y por tanto, más
resoluble su forma laminar al microscopio.
2*
La cementita va transformando su forma laminar en glo-
bular.
Esta globulizaeión se da por zonas, existiendo si-
tios en la probeta donde ha sido muy rápida y otros
donde
ha avanzado poco,
3*
La última etapa de la ferritización consiste en la de£
composición del carburo de hierro (cementita) en hierro
alfa (Ferrita) más carbono libre que se difunde hacia los
nodulos de grafito existentes.
Las coladas sometidas a ferritización, presentaron en ge -
85
neral la secuencia anterior.
Sin embargo en algunos,
la
última etapa no se dio completamente, bien porque el tiem
po necesario para la ferritización fue insuficiente o por^
que contenían pequeñas cantidades de elementos estabili zadores del carburo de hierro.
Se hará la descripción de la colada No.5 como representativa de lo ocurrido y lo descrito es extensible a las o tras, teniendo en cuenta que las coladas en las cuales no
se obtuvo una dureza de 150 HB aproximadamente, después
de un ts entre 4 y 5 horas (ver gráficos HB vs. ts), fue
porque en ellas no se produjo total o parcialmente la ter^
cera etapa del ferritizado descrita anteriormente.
Colada No. 5
Probeta 5.11
Presenta aproximadamente 95 % de perlita en la matriz. La
perlita es muy fina.
La ferrita existente es alargada
y
está \2bicada en los limites de los granos perliticos.
Probeta 5,12
Se aprecia 100% de perlita, pero muy gruesa (a 200 x
distingue su forma laminar).
se
En algunas zonas ya ha eo -
menzado la segunda etapa del ferritizado, la globulizaeión
de la cementita.
86
Probeta 5.13
Ya existen zonas completamente ferriticas, aproximadamente un 15 % de la matriz y se encuentra alrededor de
los
nodulos de grafito. La perlita existente es muy gruesa y
continúa en aumento el proceso de globulizaeión de la cementita.
Probeta 5.14
Para este tiempo de sostenimiento, 2 horas a 690*0, se ha
logrado 70 % de ferrita.
La globulizaeión de la cementi-
ta es casi total.
Probeta 5.15
La misma situación que la probeta 5.14 pero en ésta la
ferritización es de aproximadamente 90 %.
Probeta 5.16
Prácticamente se logró el 100 % de ferritización.
2.5, ENSAYOS JOMINY
Es el método seguido para determinar la templabilidad
un acero o de una fundición.
El ensayo se realizó
de
en 20
probetas de cada una de las coladas siguiendo las recomen
daciones de la designación ASTM A-255-67 (Ref.3).
Con el ensayo se pretende medir la profundidad
de temple
87
en una probeta de una pulgada de diámetro, enfriada me diante un chorro de agua desde la temperatura de austenización.
La penetración del temple se conoce tomando me-
diciones de dureza a lo largo de una arista de la probeta,
desde el extremo donde el enfriamiento es más rápido hasta aproximadamente la cara opuesta.
2.5.1.
Condiciones del ensayo
El calentamiento de la probeta hasta la austenización
se
realizó en una caja con virutas de fundición que se encon
traba al interior de una mufla marca "Solo", basculante,
que permite conseguir temperaturas hasta de 1.200*0.
Las
probetas se introducen en virutas de fundición para evi tar la decarburación de las mismas.
La temperatura de austenización fue de :
900*C
í 12*0 y
se controló por medio de termocuplas.
Esta temperatura se seleccionó de acuerdo con los resul tados obtenidos durante el normalizado a 900*0, resulta dos que determinan que para 30 minutos de sostenimiento a
900*C se obtiene austenización completa y homogénea.
Por
ello para realizar el ensayo Jominy austenizamos las probetas a 900*0 durante 30 minutos, cumpliendo asi las es pecificaciones que sobre tiempo y temperatura trae la Ñor
68
ma ASTM (A-255-67) para el Ensayo Jominy.
El enfriamiento establecido por la Norma se realizó en un
equipo "METASERV" y en todo momento se procuró que el tiem
po transcurrido desde el momento de sacar la probeta
del
horno hasta que comience el enfriamiento fuese inferior a
5 segvmdos.
2.6.
RESULTADOS DEL ENSAYO JOMINY
2.6,1. Dureza
La medición de dureza se realizó en un durómetro
marca
"Wolpert" con el sistema de dureza Vickers por presentar2
se valores de dureza superiores a 400 Kg/mm que no son
representativos eon el método Brinell.
En las páginas 89 a 98
se dan las gráficas dureza Vie -
kers (HV) contra distancia (d) en pulgadas, de los ensa yos Jominy realizados a las 20 coladas, objeto de nuestro
estudio.
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99
2.6.2, Banda de templabilidad
Una inspección simple sobre las gráficas HV vs, d
sas en las páginas 89
impre-
a 98 muestra que todas las coladas
excepto la colada No,12, presentan una gran similitud
la respuesta al Ensayo Jominy.
en
Es decir, para vina misma
distancia en la probeta obtenemos valores de dureza similares para todas las coladas. Esta similitud permite
a-
grupar los resultados en una banda de templabilidad.
En
la construcción de dicha banda se excluye la colada No.12
por no presentar templabilidad alguna como consecuencia
de haber transcurrido mucho más de 5 segundos en el paso
de la probeta desde el horno hasta el equipo de enfria
-
miento. Así mismo, se'excluyen las coladas No.14 y No.20,
pues presentan composición química diferente a las otras
coladas; contienen porcentajes de cobre de 0.39 y 0.38 %
respectivamente.
El cobre como elemento de aleación mejo
ra la templabilidad y estabiliza la perlita.
Para construir la banda de templcibilidad que se da en
la
gráfica No.7/ pág.103 se tomó el valor máximo y el valor
mínimo para cada 1/16 de pulgada.
Esto se hizo para
las
probetas correspondientes a 17 coladas.
En la gráfica No.8, pág. 104 los valores de dureza Vickers
100
del gráfico No.7, pág. 103 se han transcrito a Dureza Rockwell y las distancias se dan en escala logarítmica eon
el propósito de poder establecer comparaciones con las
bandas de templabilidad que trae el Metal Handbook, Vol.l
(Ref.l) para los aceros. Después de realizar múltiples
comparaciones se vió que la banda de templabilidad
que
mayor analogía presenta con la banda de templabilidad
la fundición nodular (rango estudiado) corresponde a
de
un
acero 1041, Por tanto, en el gráfico No.8 se dan dos
bandas de templabilidad :
la continua corresponde a
la
fundición nodular y la discontinua corresponde al acero
1041,
En la Tabla # 8 se dan los valores de dureza máximo y mínimo que permiten construir tanto el gráfico No.7 como el
No. 8 ,
TABLA
DISTANOIA
(1/16")
#
8
DUREZA MAXIMA
DUREZA MÍNIMA.
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(61.2)
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(48.6)
2
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(59.6)
428
(43.5)
3
689
(59.6)
345
(36.0)
4
642
(57.3)
311
(30.8)
101
Continuación .
DISTANCIA
DUREZA MAXIMA
DUREZA M Í N I M A
(1/16")
Vickers5- (Rocki
Vickers-(Rockwell O)
5
525
(50.8)
274
(30.6)
6
446
(45.0)
266
(25.3)
7
397
(40.4)
251
(22.0)
8
345
(36.0)
254
(22.8)
9
322
(32.4)
243
(20.6)
10
322
(32.4)
237
(18.5)
11
247
(21.7)
230
(17.6)
12
317
(32.1)
230
(17.6)
13
311
(30.8)
230
(17.6)
14
306
(30.4)
230
(17.6)
15
302
(30.0)
227
(17.4)
16
297
(29.2)
230
(17.6)
17
297
(29.2)
230
(17.6)
18
287
(28.0)
230
(17.6)
19
287
(28.0)
209
(12.8)
20
287
(28.0)
217
(15.2)
21
283
(27.9)
217
(15.2)
22
274
(26.9)
215
(14.8)
23
270
(25.5)
217
(15.2)
24
260
(24.2)
201
(11.0)
102
Continuación ...
DUREZA MAXIMA
DUREZA M Í N I M A
Vickers-(Rockwell O)
Vickers-(Rockwell O)
28
258
(23.3)
201
(11.0)
32
243
(21.0)
196
(10.0)
36
243
(21.0)
179
( 5.5)
40
237
(18.5)
186
{ 7.8)
DISTANCIA
(1/16")
103
G R Á F I C O
No. 7
DUREZA VICKERS V r s . DISTANCIA
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105
2.6.3.
Observación Metalográfica
Se hace con el fin de relacionar la dureza en determinado
punto de la probeta Jominy con la estructura en dicho lugar.
Las probetas Jominy correspondientes a las 17 cola-
das presentaron una respuesta muy similar a la penetración
del temple, y es por eso que sólo hademos la descripción
metalográfica de una probeta Jominy.
COLADA
O" - 1/16"
:
No,
1
Se presenta una estructura acicular;
agujas pequeñas de martensita.
1/16" - 1/8" :
Estructura acicular; agujas de martensita más gruesas. Aparece un poco
de
ferrita acicular.
1/8" - 3/16" :
Aparecen las agujas de martensita
más
gruesas. Aumenta la cantidad de ferró.
ta a 10 %,
3/16" - 1/4" :
Se presentan las agujas en mayor tamaño y la ferrita es cerca del 15 % .
1/4" - 5/16" :
El tamaño de las agujas ha aumentado,
lo mismo que el porcentaje de ferrita.
5/16" - 3/8" :
Aparecen pequeños granos de perlita fina.
Aumenta el contenido de ferrita.
106
3/8" - 7/16"
Aumenta la cantidad de granos perliticos.
Disminuye la estructura acicular,
aumenta la cantidad de ferrita y coraie^
za a conformarse en granos.
7/16" - 1/2"
Prácticamente ha. desaparecido la estruc^
tura acicular. Aumentan los granos
perliticos y están mejor conformados.
1/2" - 9/16"
Un poco después de 1/2" el contenido
de perlita es del 80 % y el de ferrita
20 % aproximadamente. A los 9/16"
la
ferrita ha llegado al 50 % y la perlita al 50 % .
9/16" - 5/8"
Los porcentajes de perlita y de ferrita son similares (50 %).
5/8" - 11/16"
Similar a la anterior.
11/16" - 3/4"
Avimenta la ferrita de manera progresiva hasta el final de la probeta, lie gando al final de la probeta a 70 % de
ferrita y 30 % de perlita.