Diseño de Programa Computacional para evaluar la Solidificacion de Hierro Nodular Comercial

Gladyra Peroza, Eisten Figuera, Norberto Rizzo ¹, Omar Quintero Sayago ^2*

1: S.H. Fundiciones. Guacara, Edo Carabobo. Venezuela

2: Dpto. de Ciencia de los Materiales, Universidad Simón Bolívar. Caracas, Venezuela

* E-mail: omhqs@yahoo.com

Publicado On-Line el 19-Sep-2006

Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html

Un programa de computación escrito en Matlab 6.0, denominado “ps3”, ha sido diseñado para, mediante análisis térmico, evaluar la posibilidad de producir microestructura eutéctica metaestable (ledeburita), cuando líquidos para producir hierro nodular, se solidifican a velocidades de enfriamiento alcanzados en la industria venezolana de fundición. Los datos experimentales monitoreados de la historia térmica de solidificación de una aleación comercial de hierro nodular son graficados por este programa, permitiendo obtener simultáneamente dos tipos de figuras: en una de ellas, se superpone la curva de enfriamiento suavizada, las curvas derivada primera y derivada segunda; en la otra, la gráfica presenta la superposición de la curva de enfriamiento, de las isotermas de inicio de las reacciones eutécticas termodinámicamente estable y metaestable para cada composición química solidificada. Para la determinación de estas temperaturas eutécticas, se considera los efectos del Si sobre el intervalo de temperaturas eutécticas para el sistema binario Fe-C, extrapolándolo hasta composiciones contenidas en cada aleación líquida ensayada. La  extrapolación envuelve dos aspectos: (a), lectura puntual de datos gráficos de temperatura eutéctica vs. contenido de silicio; (b), información escrita en forma tabular, procesada en MS Excel para la extrapolación lineal de la temperatura eutéctica estable y para la extrapolación polinómica de la temperatura eutéctica metaestable. Estas gráficas permiten visualizar si se ha producido o no solidificación metaestable. Evento que es corroborado metalográficamente al evaluar la microestructura producida. La aplicabilidad práctica en el proceso productivo se puede realizar sin necesidad de ejecutar un nuevo ensayo. La iteración permite modificar la composición química de la aleación líquida para evitar la formación ledeburítica en la muestra ensayada bajo esas específicas velocidades de enfriamiento. Es una aplicación práctica y económica para garantizar la calidad de los productos industriales en hierro nodular.

Palabras Claves: Solidificación, hierro nodular, análisis térmico, modelación

Abstract

Experimental data from thermal analysis are analyzed using a computer program called “ps3” written in Matlab 6.0. This program evaluate the possible generation of metastable eutectic microstructure (ledeburite) during the solidification of nodular cast iron. The results are given by the program in two different types of plots: one of them contains the smoothed cooling curve as well as the first and second derivative curves. The second plot displays superimpossed Fe-C-Si eutectic isotherms and the experimental cooling curves where the final solidification temperature is emphasized. Silicon effects on the two eutectic temperatures range are extrapolated for each chemical composition of the solidified liquid. Extrapolations are carried out as follows: the eutectic solidification temperatures range are obtained by processing point lectures from literature. MS Excel table is used to produce both linear extrapolation for the stable eutectic temperature and polynomical extrapolation for the metastable eutectic temperature. The possibility to produce metastable solidification is directly obtained from the superimpossed plots. This evidence is corroborated by the use of microstructure evaluation. Its application, for practical use at the industry in the manufacture of high quality cast iron, is immediately and at very low cost. This is because after monitoring the correspondent cooling test, new chemical combinations of carbon and silicon in the liquid are reached by iteration of those new data until metastable microstructure is not possible to be produced into the casting.

1.   INTRODUCCIÓN

El término de fundiciones, comercialmente describe al conjunto de aleaciones multicomponentes que pertenecen al sistema ternario hierro-carbono-silicio. Dentro de ellas el hierro nodular es una de sus aleaciones y recibe ese nombre debido a que el grafito solidifica en las células eutécticas en forma de esferoides, en vez de laminar como el hierro gris. Este tipo de microestructura le confiere un comportamiento dúctil a las mismas. Estas dos morfologías se producen, si la solidificación sucede siguiendo el diagrama ternario termodinámicamente estable. Cuando el proceso de solidificación sigue el diagrama termodinámicamente metaestable, se produce la fundición blanca, donde el eutéctico está constituido por cementita y por austenita de composición eutéctica, cuya microestructura se le llama Ledeburita; cuando se observa a la temperatura ambiente se le denomina Ledeburita Transformada.

En la fabricación de piezas vaciadas en fundición nodular, la constitución del líquido se ve afectada [1] por una serie de variables que van desde el almacenamiento de la materia prima, del tipo de horno, del tipo de refractario, de la práctica de fusión, de las adiciones y del tratamiento del líquido tanto dentro del horno como en las cucharas de vaciado, así como también de la velocidad de enfriamiento en las respectivas secciones de las piezas. Por lo tanto, los eventos de fusión y de su posterior tratamiento, requieren del control de los siguientes parámetros [2]: composición química, temperatura, eficiencias de inoculación y de nodulización, tendencia a formación de estructuras metaestables, y rechupe; entre otros. Todos esos parámetros tienen influencia determinante en la generación de la microestructura, y en consecuencia sobre las propiedades de servicio de esos productos.  

Para evaluar la calidad del líquido en los procesos industriales, existen varios métodos: análisis de su composición química; ensayos de enfriamiento rápido; examen metalográfico; y análisis térmico. A partir de la composición química, se determinan los índices: Carbono Equivalente (%CE) y/o Saturación en Carbono (S_C); conceptos que se utilizan para evaluar el grado de eutecticidad del líquido. El primero es usual en la literatura norteamericana y el segundo índice es proveniente de la literatura europea occidental. Para la estimación de ambos, se requiere conocer los contenidos de carbono, de silicio y de fósforo.

El análisis térmico detecta la historia térmica de la solidificación y el enfriamiento de material fundido; este método tiene las características de rapidez de ensayo, alta resolución, flexibilidad, y confiabilidad. Otra ventaja de esta técnica, es la de proveer [3] una manera para el estudio de solidificación y para predecir la microestructura final  de la aleación, en particular el tipo de reacción eutéctica.

En las aleaciones Fe-C-Si tanto ternarias como multicomponentes, se encuentran reflejados los efectos del silicio sobre el sistema binario Fe-C. El principal es el cambio en el intervalo de temperaturas eutécticas estable-metaestable, denominado DT_G-C. Por supuesto, este hecho, junto a condiciones de solidificación como velocidad de enfriamiento y composición química sin olvidarnos de la constitución del líquido, tienen efectos determinantes sobre la microestructura final obtenida [1]. 

2.   Parte EXPERIMENTAL

Después de ejecutado el tratamiento del líquido, se vació en molde de arena y se realizó la grabación de la historia térmica. Ésta, se efectuó con termopar tipo S de 1 mm de diámetro, ubicado en el fondo del bebedero del sistema de colada de la espiral para ensayos de fluidez, como se aprecia en la Figura 1 [2]. En ella, también se presenta amplificación del diseño del sistema colector de información. El monitoreo se efectuó cada segundo para los procesos de solidificación y de enfriamiento, mediante uso de un registrador de temperaturas.

Los datos experimentales de temperatura y de tiempo, después de monitoreados durante los primeros 200 segundos, se procesaron matemáticamente al utilizar el programa especialmente diseñado [2], denominado “ps3”, escrito en software Matlab 6.0. Dicho procesamiento consta de operaciones de graficación de la curva de enfriamiento, previa suavización de los datos experimentales que generan dicha curva, y de las posteriores graficaciones correspondientes a las curvas de las derivadas primera y segunda en función del tiempo de ensayo.

Durante el vaciado del líquido sobre el molde de arena de la espiral de colabilidad, Figura 1, se tomó la correspondiente muestra [2] para ejecutar el análisis químico de los elementos carbono, manganeso, silicio, fósforo, magnesio y azufre. Finalizado el monitoreo del análisis térmico y alcanzada una temperatura menor a 550ºC, se desmoldea la espiral de fluidez. De la zona del fondo del bebedero donde se colocó la termocupla, Figura 1, se extrae una muestra para la realización del análisis metalográfico cuya microestructura se observó mediante microscopía óptica. Se tomaron las adecuadas fotomicrografías representativas de cada curva de enfriamiento, donde se evidencian los rasgos microestructurales relevantes.

 

Figura 1. Termopar y conector, conector-termopar protegidos por el macho y corte vertical del ensamblaje del molde de la espiral.

La determinación de las temperaturas correspondientes a las reacciones eutécticas termodinámicamente estables y metaestables para cada composición química del hierro nodular solidificado, de acuerdo a los sistemas ternarios de las aleaciones Fe-C-Si, se realiza tomando en cuenta los efectos del silicio sobre el intervalo DT_G-C de temperaturas eutécticas para el sistema binario de aleaciones Fe-C. La labor de determinación de esas temperaturas eutécticas, implica la extrapolación de los datos en dos aspectos:

(a)   Lectura puntual de los datos gráficos temperatura eutéctica vs. contenido de silicio de la Figura 2 [1].

(b)   Información escrita en forma tabular posteriormente procesada en MS Excel para obtener tanto la extrapolación lineal de la temperatura eutéctica estable como la extrapolación polinómica de la temperatura eutéctica metaestable. Inicialmente, dentro del programa, se determina el comportamiento de cada una de esas temperaturas eutécticas para posteriormente realizar iteración conducente a obtener el comportamiento extrapolado para las composiciones químicas ensayadas.

Figura 2. Curvas esquemáticas que muestran los efectos del contenido de silicio sobre DT_G-

3.  RESULTADOS

La composición química, en porcentajes en peso, de la aleación bajo consideración se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 1. Composición química de la aleación en estudio

 

En la Figura 3 [2] se presenta las gráficas provenientes de la extrapolación de las temperaturas eutécticas, resultantes de aplicar el programa “ps3”, para producir la descripción de sus comportamientos mediante las siguientes expresiones:

Para el eutéctico termodinámicamente estable (T_est),

(austenita   + grafito):

                 T_est(ºC) = 3,428 (%Si) + 1148             (1)

 

   Fe-C reducen la solubilidad del carbono en el líquido, y por ende, aumentan las probabilidades de existencia de los racimos C-C; efecto conocido como grafitizante [1]. Por otro lado, los solutos que tienden a aumentar los racimos Fe-C, aumentan la solubilidad del carbono en el líquido y, por lo tanto, reducen las probabilidades de formación de grafito al solidificar ese líquido de composición eutéctica. El valor S_C = 1,0 corresponde a la composición exactamente eutéctica del líquido = 4,26 w/o C, a la temperatura que sucede esta reacción. Esta composición equivale a una fracción molar de carbono = 0,1714 a la temperatura de 1152ºC.

En el programa “ps3” para la suavización de los datos experimentales, se aplica una función lineal tomando 10 puntos (pares ordenados de temperatura-tiempo); se les promedia por pares consecutivos, para ser asociados a una nueva curva donde se sustituyen los valores originales por estos nuevos promedios. Se ejecuta una nueva suavización con una frecuencia de 20 puntos de la misma manera descrita. De esta forma, la función filtro logra disminuir la dispersión de los valores experimentales de temperatura en función del tiempo para atenuar tanto la trayectoria de la curva de enfriamiento original, Figuras 4 y 5, como de las derivadas primera y segunda, Figura 4.

La gráfica de la derivada primera de la curva de enfriamiento, en sus mínimos y sus máximos son normalmente utilizadas [4-6,10] para obtener una mejor visión y por lo tanto la identificación de los arrestos térmicos y de los puntos críticos producidas durante la grabación de la historia térmica de la solidificación y del enfriamiento del material fundido. La curva de la derivada segunda proveniente de la curva de enfriamiento puede ser usada [4,5] para chequear el sentido de la variación en la primera derivada; cuando ella intercepta el valor cero en el eje de las ordenadas, debe coincidir con el punto crítico en cuestión.

El análisis de los valores de temperatura y del comportamiento de las gráficas así producidas, permite determinar los puntos críticos que son relevantes para describir la historia térmica de enfriamiento y de solidificación, presentados en la Tabla 2. Los criterios utilizados para la caracterización de cada una de las curvas de enfriamiento experimentales, presentes en la Figura 4, fueron los siguientes [4-6]:

·         El punto A corresponde al tiempo de inicio de la solidificación eutéctica; definiéndose [2] como tal, el instante donde la pendiente varía un 10% de la ecuación de la recta descrita durante los primeros 10 s del enfriamiento.

·         El punto B es el de la reacción eutéctica, que está dado por el tiempo y por la correspondiente temperatura donde simultáneamente la primera derivada alcanza un máximo y la segunda derivada alcanza su primer valor cero.

·         El punto C es el final de la reacción eutéctica, definido a partir del mínimo en la curva de la primera derivada, instante en el cual la segunda derivada corta al eje de valor cero por segunda vez.

En la Figura 3 se visualizan los efectos del silicio sobre el intervalo o rango de temperaturas de las reacciones eutécticas termodinámicamente estable y metaestable, obtenidas con el programa “ps3”. Esta Figura, expresa que el principal efecto del silicio es el de aumentar ese intervalo, DT_G-C, mediante un ligero aumento de la temperatura estable y sustanciales descensos de la temperatura del eutéctico metaestable [2].

La Figura 5, es la base para el análisis de las condiciones de solidificación de material ensayado y para predecir la probable microestructura producida en la pieza. Las dos isotermas, obtenidas por uso de las ecuaciones (1) y (2) en el programa “ps3” sirven de guía para distinguir si la reacción eutéctica ocurre entre ese intervalo de temperaturas eutécticas o si por el contrario se lleva a cabo por debajo de la temperatura eutéctica metaestable así determinadas. En la Figura 5 se aprecia que la solidificación eutéctica finaliza por debajo de la temperatura metaestable; lo cual es una indicación que en la microestructura hay presencia de Ledeburita. Esta sospecha se debe a que durante la solidificación, la microsegregación de los solutos en el líquido, son complejos y diferentes entre sí, para conducir a significativos efectos sobre la transición estable-metaestable [2,9]. El silicio se segrega negativamente durante la solidificación del eutéctico termodinámicamente estable y positivamente durante la solidificación metaestable; sin embargo, el manganeso se segrega positivamente en ambas reacciones [3,6,7,10].

La presencia de la microestructura ledeburítica está indicado, en gráfica de la Figura 5, que se debe encontrar en los espacios interdendríticos porque fueron los últimos en solidificar. Se demuestra esta afirmación, en la Figura 6 a 100x. En esta microestructura es claramente evidenciado los siguientes rasgos microestructurales:

 

·         Nódulos irregulares de grafito, rodeados de halos de ferrita.

·         Matriz perlítica.

·         Ledeburita transformada en regiones interdendríticas.

·         Parches de Cementita.

En detalle, la formación de esta microestructura previamente descrita, es ampliamente discutida en trabajo paralelo [11].

 

Figura 6. Rasgos microestructurales presentes en la región central de la pieza, donde se colocó el termopar. 

Desde el punto de vista práctico en la industria, estos efectos pueden ser controlados mediante la composición química y también por control del proceso de solidificación. Dado que el tipo de molde no se cambia a menudo en la industria, el único medio es modificar la composición química en cuanto a los contenidos de silicio y de carbono, que son los elementos que principalmente definen los parámetros de medida de la eutecticidad de las aleaciones Fe-C-Si. En consecuencia, una vez realizado el ensayo, el uso del programa diseñado permite realizar control de calidad del material líquido mediante simulación del proceso de solidificación, con las nuevas composiciones químicas. 

 

5.   CONCLUSIONES

Los datos experimentales provenientes del monitoreo de la historia térmica de la solidificación de una aleación comercial de hierro nodular, procesados en el programa “ps3” diseñado con ese propósito, grafica simultáneamente dos tipos de figuras:

·         En una de ellas, se superpone en la curva de enfriamiento suavizada, las curvas derivada primera y derivada segunda.

·         En la otra, la gráfica presenta la superposición sobre la curva de enfriamiento, de las isotermas de inicio y de final de las reacciones eutécticas termodinámicamente estable y metaestable para cada composición química solidificada.

·         La interpretación basada en criterios del Índice de Saturación en Carbono, S_C, junto al análisis de los puntos críticos contenidos en esas gráficas, permite deducir la probable microestructura generada en la pieza solidificada. Esa microestructura puede ser corroborada mediante observación metalográfica.

·         El programa “ps3” diseñado, es una herramienta valiosa, desde el punto de vista industrial, para el control microestructural del hierro con grafito esferoidal, ya que mediante simulaciones sucesivas sin necesidad de ejecutar nuevos ensayos, permite realizar ajustes de su composición química y por ende de su microestructura.

6.  REFERENCIAS

1.  Quintero O, “Principios de la Tecnología de Fundición”. Dpto. Ciencia de los Materiales, Material de apoyo en docencia de la asignatura MT-3312: Fundición. Caracas (Venezuela): Universidad Simón Bolívar, 1998.          [ Links ]

2.      Peroza G, Figuera E, Colabilidad y Proceso de Solidificación de la Fundición Nodular en S.H. Fundiciones. Informe de Pasantía Industrial, Ingeniería de Materiales. Caracas (Venezuela): Universidad Simón Bolívar, 2004.           [ Links ]

3.  Zhao HD, Liu B. Int.J. Cast Metal. Res. 2003; 16 (1-3): 281-286.          [ Links ]

4.  Chen I-G, Stefanescu DM, “Computer-Aided Differential Thermal Analysis of Spheroidal and Compacted Graphite Cast Irons”. En:  AFS Transactions, vol. 92. Saint. Louis (EE.UU.): American Foundrymen's Society, 1984, p. 947-964.         [ Links ]

5. Loper CR, Heine RW, Chaudhari MD, “Thermal Analysis for Structure Control”. En: The Metallurgy of Cast Iron. Lux B, Minkoff I, Mollard F (eds.). Saint-Saphorin  (Switzerland): Georgi Publishing Co., 1975, p. 639-657.         [ Links ]

6.  Li YX, Xu XR, Wang Q, Liu BC, Int. J. Cast Metal. Res. 2003; 16 (1-3): 41-45.         [ Links ]

7. Tinoco J, Delvasto P, Quintero O, Fredriksson H. Int. J. Cast Metal. Res. 2003; 16 (1-3): 53-58.         [ Links ]

8.  Elliott R, Cast Iron Technology. London (United Kingdon): Butterworths, 1988, p. 77-80         [ Links ]

9. Neumann F, “The Influence of Additional Elements on the Physico-Chemical Behavior of Carbon in Carbon Saturated Molten Iron”. En: Recent Research on Cast Iron. Merchant HF (ed.). New York (EE.UU.): Gordon & Breach Science Publishers, 1968, p. 659-705.         [ Links ]

10.  Lacaze J, “Study of the Solidification Step of Spheroidal Graphite Cast Irons and of its Consequences on Solid-State Transform-ations”. En: Proceedings del International Conference on the Science of Casting and Solidification. Stefanescu DM, Ruxanda R, Tieran M, Serban C (eds.). Brasov (Rumania): Editura Lux Libris 2001, p. 344-352.        [ Links ]

11. Quintero O, “Características Microestruc-turales de una Aleación Comercial de Hierro Nodular” Remitido a la Rev. LatinAm. Metal. Mater. para su publicación, 2006.        [ Links ]