LAB. 06 Reconociemiento Microestructural DE Fundiciones Ferrosas-converted PDF

Preview

Summary

LABORATORIO DE FUNDICION...

Description

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

I. TÍTULO “RECONOCIMIENTO MICROESTRUCTURAL DE FUNDICIONES FERROSAS: FUNDICIÓN BLANCA, FUNDICIÓN GRIS, FUNDICIÓN MALEABLE Y FUNDICIÓN NODULAR O DÚCTIL” II. OBJETIVOS  Reconocer microestructuralmente y caracterizar a la fundición blanca, fundición gris, fundición maleable perlítica y fundición nodular.  Reconocer microestructuralmente una fundición hipoeutéctica, eutéctica e hipereutéctica

III. FUNDAMENTO TEORICO Las fundiciones son básicamente aleaciones de hierro y carbono. Las fundiciones de hierro, contienen más carbono del necesario para saturar la austenita a temperatura eutéctica y por lo tanto contienen entre 2.06% y 6,67%. Como el alto contenido de carbono tiene a hacer muy frágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre 2,5 y 4% de C. La ductilidad del hierro fundido es baja, lo que hace que no siempre pueda trabajarse ni en frío ni en caliente. Sin embargo, es relativamente sencillo de fundir y colar sobre moldes de formas complejas. Aunque son frágiles y sus propiedades mecánicas son inferiores a las de los aceros, su costo bajo, su fácil colado y sus propiedades específicas los hace uno de los productos de mayor tonelaje de producción en el mundo. Las fundiciones llamadas de primera fusión, tienen la siguiente composición: C (2,5 - 4,5), Si (0,5 - 4,5), Mn (0,5 - 0,8), P (0,1 – 2), S (< 0,15)

3.1. TIPOS DE HIERRO FUNDIDO El mejor método de clasificación es de acuerdo a su estructura metalográfica. Las variables a considerar son: el contenido de carbono, los aleantes, las impurezas, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico. Estas variables controlan la condición y forma del carbono en la estructura.

Página 1|

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

El carbono se puede presentar en forma libre (grafito) o combinada (Cementita). La forma y distribución del carbono influirá grandemente en las propiedades físicas de la fundición. Se pueden clasificar en: a) Fundición blanca.-Donde todo el carbono se encuentra combinado. b) Fundición Gris.-La mayor parte del carbono se encuentra sin combinar en forma de grafito. c) Fundición Maleable.-Carbono mayormente sin combinar en forma de nódulos irregulares o carbono revenido. d) Fundición nodular.-Mediante aleantes especiales, el grafito forma esferoides compactos. e) Fundición especial.-Las propiedades y estructura de las anteriores se modifican por el agregado de aleantes.

3.1.1. FUNDICIÓN BLANCA Compuesto por: carburo masivo (cementita) + Matriz de acero (ferrita, perlita, martensita, etc.) El carbono se encuentra totalmente como Fe3C (fase continua) y su estructura se obtiene después de un enfriamiento rápido en todo el rango de temperaturas. Para retener el carbono en la forma de Fe3C en estos hierros fundidos, además de darle una alta velocidad de solidificación, deben mantenerse relativamente bajos los contenidos de C y Si. Por esto, son generalmente fundiciones hipoeutécticas. Su nombre se debe a su fractura blanca característica de la Fe3C. El hierro blanco sirve como material bruto para el hierro fundido maleable.

Fig. 1: Fundición Blanca

Página 2|

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

Fig. 2: Fundición Blanca Hipereutectoide

Fig. 3: Microestructura típica de las Fundiciones Blanca (Izquierda: 20x, derecha: 200x

Fig. 4: Microestructura típica de las Fundiciones Blancas Hipoeutecticas (Izquierda) e Hipereutectoide (Derecha)

Página 3|

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

3.1.2. FUNDICIÓN GRIS La fundición gris contiene muchos agrupamientos o celdas eutécticas de grafito en hojuelas interconectadas. El punto en el cual se conectan estas hojuelas es el núcleo original de grafito. La inoculación ayuda a producir celdas eutécticas más pequeñas, mejorando así la resistencia. A. Características generales  Su fractura es color gris a causa del grafito expuesto.  Bajo costo y excelente maquinabilidad.  Resistencia a la escoriación por lubricación restringida.  Alta resistencia la compresión, conductividad térmica y fatiga térmica.  Excelente capacidad de amortiguamiento vibracional.  Baja resistencia y ductilidad. La fundición gris se forma cuando el carbono de la aleación se encuentra en una cantidad superior a la que pueda disolverse en la austenita, precipitando como hojuelas de grafito. La microestructura de una aleación gris muestra hojuelas de grafito (celdas eutécticas de grafito) en una matriz ferrita y perlita mezcladas. Mediante un tratamiento térmico de recocido se puede obtener una matriz completamente ferrítica. Velocidades de enfriamiento moderadas y bajas promueven la formación de grafito, favoreciendo además la formación de una matriz ferrítica.

Fig. 5: Microestructura típica de las Fundiciones Laminares Ferriticas (Izquierda) y Perliticas (Derecha)

Página 4|

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

Fig. 6: Estructura de la Fundiciones Gris 600X: a) Perlitica; b) Ferritico- Perlitica; c) Ferritica

El silicio es un elemento estabilizador de grafito, por lo que se le utiliza en cantidades relativamente altas, el Cr y Bi tienen un efecto opuesto promoviendo una fundición blanca. B. Clases de Grafito (Tipo A, B, C, D Y E) Tipos de hojuelas de grafito.

Página 5|

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

Fig. 7: Tipo A: Distribución uniforme, orientación al azar; Tipo B: Agrupamientos en roseta, orientación al azar; Tipo C: Tamaños sobrepuestos de hojuela, orientación al azar; Tipo D: Segregación interdendrítica, orientación al azar; Tipo E: Segregación interdendrítica, orientación preferida. (Preparada conjuntamente por la ASTM y la AFS).

Página 6|

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

C. Tamaños de Hojuelas de Grafito (Preparada conjuntamente por la ASTM y la AFS)

Página 7|

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

D. TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE LAS HOJUELAS DE GRAFITO: Las grandes hojuelas de grafito interrumpen seriamente la continuidad de la matriz perlítica, reduciendo de esta manera la resistencia y ductilidad del hierro gris. Las pequeñas hojuelas de grafito son menos dañinas y, por tanto, generalmente se prefieren. Los tamaños de las hojuelas de grafito generalmente se determinan por comparación de los tamaños estándar preparados conjuntamente por la AFS (American Foundrymen’s Society) y la ASTM (American Society for Testing Materials). El procedimiento para preparar y medir el tamaño de las hojuelas está dado en el ASTM Designation A247 - 67, 1971 Book of ASTM Standards, Part 31. La medición de las longitudes se hace de las más grandes hojuelas de grafito en una sección no atacada químicamente del hierro gris a 100X. EN LA TABLA SIGUIENTE APARECE LA ASIGNATURA DE LOS NÚMEROS

3.1.3.

FUNDICIÓN MALEABLE.

 Americana o de corazón negro Se parte calentando una pieza de Fe 3C a 900°C durante más de 96 horas en un medio inerte. En estas condiciones se disocia el Fe3C pero como ni el C ni el Fe pueden reaccionar con el SiO2 porque se encuentran en un medio inerte se produce una disociación parcial La maleable americana no necesariamente es un producto descarburado.

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

En las fundiciones de corazón negro se utiliza como medio de empaque, arena que actúa como medio inerte. A. Composición Química Hierros maleables.

B. Características del tratamiento térmico.

C. Piezas habituales Entre las piezas fabricadas a partir de una fundición maleable incluyen: rodamientos para ejes, ruedas de guía, uniones de tuberías y engranajes de alta resistencia.

Fig. 8: Piezas Habituales

D. Maquinabilidad La fundición maleable tiene una resistencia a la tracción superior a la de la fundición gris y recuerda a la fundición nodular por su maquinabilidad, pero ambas suelen tener excelentes

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

propiedades de mecanizado. En general, la fundición con estructura perlítica incrementa el desgaste por abrasión, mientras que la estructura ferrítica incrementa el desgaste por adherencia.

3.1.4. LA FUNDICIÓN NODULAR Al encontrarse el carbono en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar; esto da lugar a una resistencia a la tracción y tenacidades mayores que en la fundición gris ordinaria. La fundición nodular se diferencia de la fundición maleable en que normalmente se obtiene directamente en bruto de fusión sin necesidad de tratamiento térmico posterior. El contenido total en carbono de la fundición nodular es igual al de la fundición gris. Las partículas esferoidales de grafito se forman durante la solidificación, debido a la presencia de pequeñas cantidades de alguno elemento de aleación formadores de nódulos, normalmente magnesio y cerio, los cuales se adicionan al caldero inmediatamente antes de pasar el metal a los moldes. La cantidad de ferrita presente en la matriz en bruto de colada depende de la composición y de la velocidad de enfriamiento. Las fundiciones ferríticas son las que proporcionan la máxima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad. Para reducir el problema de la fragilidad de las fundiciones con grafito laminar, y su baja resistencia al impacto, se desarrollaron fundiciones con el grafito en forma de pequeñas esferas o nódulos. Su técnica consiste en lograr la precipitación del grafito mediante el agregado de sustancias llamadas nodulizantes. Se fabrican directamente en bruto de fusión sin necesidad de tratamiento térmico posterior, añadiendo cerio o magnesio a la fundición en estado líquido inmediatamente antes de ser coladas en los moldes.

Fig. 9: Fundición Nodular Ferrítica

La adición de estos elementos altera el normal mecanismo de solidificación de la fundición, provocando la separación del grafito en forma nodular. La microestructura de estas fundiciones suele estar constituida por esferoides de grafito rodeados por aureolas de ferrita sobre un fondo o matriz de perlita (ojo de buey). De este modo la continuidad de la matriz se

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

interrumpe mucho menos que cuando el grafito se encuentra en forma laminar, provocando una resistencia a la tracción y tenacidades mayores. Teniendo propiedades similares, la ventaja de la fundición nodular con respecto a la maleable es que se obtiene directamente de fusión sin necesidad de tratamiento térmico posterior. Además, los nódulos presentan una forma más esférica que los aglomerados de copos más o menos irregulares que aparecen en la fundición maleable.

Fig. 10: Estructura metalográfica de una fundición maleable de matriz ferrítica.

Fig. 11: Estructura metalográfica de una fundición Nodular, ojo de buey

A. APLICACIONES Cigüeñales, árboles de leva, ciertos mecanismos de biela-manivela, etc.

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

Fig. 12: Cigüeñal

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

IV.

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

MATERIALES, HERRAMIENTAS Y EQUIPOS

4.1. EQUIPOS  Microscopio metalográfico.  Durómetro. 4.2.

MATERIALES

 Muestra de fundición blanca.  Muestra de fundición gris.  Muestra de fundición maleable .  Muestra de fundición nodular o dúctil.  Lijas de agua N°: 80, 100, 180, 220, 320, 400, 600, 800, 1000  Resina epóxica.  Alcohol y algodón.  Agua destilada.

4.3. HERRAMIENTAS  Sierra sanflex

4.4. REACTIVOS  Nital 5%.  Microscopio Metalográfico

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

V.PROCEDIMIENTO 1. Una vez conseguido las fundiciones blanca, maleable, gris y nodular de una pieza de molino, codo, y disco de freno, respectivamente; se procedió a cortarlos para nuestro material de estudio y que sean accesibles para el encapsulamiento.

2. Se procedió a debastar las piezas con las dos primeras lijas (N° 80, 100, 220, 320, 400, 600, 800, 1000,2000) para nivelarlas y luego ser encapsuladas sin ningún problema.

3. Seguidamente, pulimos las probetas con alúmina sobre la pana húmeda para retirar las posibles rayaduras presentes que podrían observarse a través del microscopio.

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

4. Volvimos a pulir las probetas sobre una pana seca para lograr una mejor limpieza de ella y retirar cualquier rayadura dejada en el paso anterior.

5. Finalmente se hizo el ataque químico usando Nital al 5%HNO3 y luego se llevó al microscopio para la respectiva observación microestructural de los aceros.

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

VI. RESULTADOS 6.1.

FUNDICIÓN BLANCA

a

b

Fotomicrografía N°01: Fotomicrografía de la fundición blanca. Se observa que es una fundición hipoeutéctica en la cual la fase blanca es la cementita secundaria, las plaquetas de color oscuro representan a la perlita. Dureza 372.9 HB. El ataque químico se desarrolló con nital al 3%. (a) 200X. (b) 500X. 6.2.

FUNDICIÓN MALEABLE

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

Fotomicrografía N°02: Fotomicrografía de la fundición maleable sin atacar. Se observan las plaquetas de color negro son las rosetas de grafito. Dureza 168.2 HB. (a) 200 X

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

(a)

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

(b)

Fotomicrografía N°03: Fotomicrografía de la fundición maleable ferritica. Se observa los granos de color blanco es la ferrita y las plaquetas de color negro son las rosetas de grafito. Dureza 168.2 HB. El ataque químico se desarrolló con nital al 3%. (a) 200X. (b) 500X.

6.3.

FUNDICIÓN GRIS

P á g i n a 19 |

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería (a)

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica (b)

Fotomicrografía N°04: Fotomicrografía de la fundición gris sin atacar. Se observan las hojuelas de grafito tipo A. Dureza 146.8 HB. (a) 200X. (b) 500

(a)

(b)

Fotomicrografía N°05: Fotomicrografía de la fundición gris perlitica. Se observa los granos de color oscuro son perlita y las hojuelas de grafito tipo A. Dureza 146.8 HB. El ataque químico se desarrolló con nital al 3%. (a) 200X. (b) 500X.

P á g i n a 20 |

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

6.4.

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

FUNDICIÓN NODULAR

(a)

(b)

Fotomicrografía N°06: Fotomicrografía de la fundición nodular sin atacar. Se observan los nódulos de grafito. Dureza 186.2 HB. (a) 200X. (b) 500X

(a)

(b)

Fotomicrografía N°07: Fotomicrografía de la fundición nodular ferrítica - perlítica. Se observa la fase blanca alrededor de los nódulos de grafito es ferrita y la fase oscura es perlita. Dureza 186.2 HB. El ataque químico se desarrolló con Nital al 3%. (a) 200X.

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

(b) 500X.

VII. CONCLUSIONES  Se reconoció microestructuralmente las fundiciones ferrosas analizadas, tanto la fundición blanca (pieza de un molino), fundición gris, fundición maleable (codo de tubería) y fundición nodular.  Se determinó además el tipo de fundición de las probetas: Fundición Blanca Hipoeutéctica; Fundición Maleable Ferrítica; Fundición Gris Perlítica con hojuelas de grafito tipo A; y Fundición Nodular Ferrítica -perlítica.  Se observó al microscopio las diferentes características microestructurales de las fundiciones ferrosas (perlita, ferrita, cementita secundaria, matriz ferrítica).  Se aprendió a diferenciar las fundiciones de hierro, por la observación al microscopio de las diferentes formas del grafito y por la coloración de fractura de la muestra de fundición de hierro preparada.

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Escuela de Ingeniería Metalúrgica

iversidad Nacional de Trujillo

Departamento de Ingeniería Metalúrgica

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Metalúrgica

VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS  Avner, S. (1979). Principios de Metalurgia Física. Mexico: Mc Graw-Hill

 Callister, W. (1995). Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Barcelona: Reverté.  Shakelford (1995). Fundamentos de Metalurgia Física....