Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 3, N° 1, 1983

Determinación del Rango Crítico de Temperaturas en Fundiciones Comerciales MedianteDílatornetría"

Ornar H. Quintero Sayago

Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales. Universidad Central de Venezuela, Apartado51717. Caracas 1050A, Venezuela.

Mediante el uso de un Dilatómetro Chevenard, se determinó el Rango Crítico de Temperaturas para la Reacción Eutectoide deuna aleación comercial Híerro-Carbono-Síltc¡o, en donde el Grafito estaba presente bajo la forma esferoidal. Se usaron dífe-rentesvelocídades de calentamiento, que oscilaron entre 125 y 3000 C/hr, seguidos de enfriamientos a velocidades de 700, ~OO,150,125,80 Y600 C/hr. Se interpretan y discuten, las curvas de dilatación en función de las transformaciones que se sucedendurante los procesos de calentamiento y de enfriamiento de las muestras patrón usadas. Entre los resultados importantes deeste trabajo, se encontró que al calentar, la variación de la temperatura de transformación como una función de la velocidad,sigue un comportamiento determinado mediante análisis de regresión, de la forma: TT ~ a + bIn Rh' Ante las controversialesinformaciones bibliográficas, esto nos conduce a expresar, por comparación, que la temperatura determinada mediante cálcu-lo, corresponde a la crítica inferior durante el calentamiento, cuando se usan bajas velocidades de ensayo. Para el enfriamiento,no se encontró ninguna relación particular que describiera nuestros resultados experimentales.

The Critical Temperature Range of Commercial Cast Irons by Dilatometry

Different heating rates in the range between 125 and 3000 C/hr followed by cooling rates of700, 300, 150, 125,80 and 60° C/hrwe re used by Dilarometry Method in order to determine rhe Cr irical Temperature Range of one commercial nodular Iron-Carbon-Sílícon alloy. The dilation curves are both ínterpreted and díscussed as phase transformation dependent during theirrespective heating and cooling processes. Main features of present work are: temperature of transformation variations onheating follows the regression analysis model ofTT ~ a + b In Rh' Controversy found in available bibliography ler us to expressby comparison, the calculated critical temperature corresponds to the lower critical temperature on heating, when lowheating rates are used no particular relationshios t0 -::"scribe our experiences have found on cooling.

INTRODUCCION

Las transformaciones en.el estado sólido, se pue-denobservar muyclaramente mediante el uso de unensayo dilato métrico [1]. En los sistemas Hierro-Carbono-Silicio, la presencia de este último ele-mento crea una región bifásica tanto en la zona deleutéctico, como en la zona de la reacción eutectoide,efecto que se esquematiza en la Fig, 1 [2, 3]; cornopodemos ver, difiere notablemente del DiagramaHierro-Carbono. En la región bífásíca de la zona eu-tectoide, que está constituida por austenita y ferrita,su amplitud depende [4] tanto del contenido de sili-cio, corno de otros elementos presentes, consti-tuyendo lo que se conoce corno Rango Crítico deTemperaturas; esta amplificación de la zona eutec-toide significa [3] que se incrementan las áreas deestabilidad del equilibrio de la austenita, de la ferritaydel grafito.

• Presentado en la XXXI Convención Nacional de la Asociación Venezolana para el Avance de la Ciencia. Nov. 1981.

La transformación de la austenita, de composi-ción eutectoide, en el sistema hierro-carbono-silicio[5-7], se sucede tanto por la reacción directa, austeni-ta- ferrita + grafito, en la cual la fase grafito fun-ciona corno sumidero de átomos de carbono [5],como por la reacción indirecta o metaestable, .auste-nita - ferrita + cementita, la cual es común del sis-tema hierro-carbono, en las cercanías al~ compo-sición del eutectoide. Además, la cerneritita metaes-table que constituye la perlita, puede disolverse enlas cercanías de la fase grafito [8], produciendo ferritalibre, de acuerdo a la reacción, cementita - ferrita ++ grafito.

Cole [9,10], considera que hay tres factores prin-cipales que dominan la reacción eutectoide en lasfundiciones de hierro; las cuales son: la velocidad deenfriamiento a través del rango crítico de temperatu-ras, la adición de elementos aleantes y la distribución

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Fig. 1. Sección del Diagrama Temario del sistema Fe-C-Si paraun 2,0% Silicio

del grafito. La velocidad de enfriamiento tiene in-fluencia tanto en la temperatura a la cual la austenitase transforma, como también sobre la relación per-lita-ferrita que resulta de esta transformación [3]. Laadición de elementos aleantes afecta tanto al rangocrítico de temperaturas, como al rango de formaciónde.la ferrita, debido a que afecta la estabilidad de loscarburos y a la velocidad de difusión del carbono [3],lo cual es debido a que durante el enfriamiento, lamicrodistribución del silicio en la matriz influencia laaparición de la ferrita [4]; por 10 tanto [11], la mícro-segregación tiene un poderoso efecto sobre el rangode temperaturas, debido a su acción controlantesobre la localización de los núcleos de las nuevas fasesen relación a la.previa estructura dendrítica. Experi-mentalmente se ha demostrado [4], que cuando lafundición se supone no aleada y el contenido en fós-foro es menor a 0,20%, una fórmula empírica quedetermina la localización del tope del rango críticodurante el enfriamiento es:

(Tc,±25) °F=1300+70% Si-70% Mn+400%P-0,5 R(1)

siendo R, la velocidad de enfriamiento en °F/hr. Sinembargo, de acuerdo a su autor, esta fórmula debeusarse con precauciones, aplicándosele un factor deseguridad conveniente. Otros autores [5-7, 12, 13),establecen que el tope del rango crítico de tempera-turas en la zona eutectoide se puede calcular me-diante la expresión:

'r., (0C)= 730 + 28,5% Si - 25% Mn (2)

sin embargo, Angus [6] YMinkoff[ 12], comentan queesa línea representa el límite inferior del rango; peroella, según Rehder [4], claramente representa el tope

del rango crítico de temperaturas. Los restantes au-tores, nada especifican sobre cuál de las temperatu-ras es la que se determina mediante esa ecuación 11}.Se puede ver entonces, que hay controversiales opi-nio nes en relación a la temperatura de transforma-ción de la reacción eutectoide; ello por 10 tanto, nosdio una motivación para experimentalmente tratarde clarificar dudas [1] al respecto. Más aún, estasexperiencias fueron ampliadas [15], en lo que repre-senta así una primera recopilación bibliográfica de ladispersa información sobre este tópico; en especial,debido a la nula información disponible sobre las cur-vas experimentales y las interpretaciones de los aná-lisis dilato métricos para estos tipos de materialestanto comerciales, como de investigación.

Elter cer factor principal que afecta a la reaccióneutectoide [9, 10], en los sistemas hierro-carbono-silicio, es la distribución del carbono en tqda la es-tructura, ya que los aros de ferrita que rodean algrafito en las condiciones de vaciado, afectan a latransformación [12]. De acuerdo a Lux y sus colabo-radores [14], esos aros tienen dos diferentes fuentesde origen: los denominan como "halos", cuando lasenvolturas formadas alrededor del grafito prirnaríoes durante la solidificación, como una consecuenciade la distribución del carbono alr edcdor de las partí-culas de grafito; llaman" capas", a las envolturas deferrita que se forman después de la solidificación, aconsecuencia de la difusión del carbono en el esta-do sólido.

CONDUCC¡ON DE LOS EXPERIMENTOS

El material usado en este trabajo, es hierro nodu-lar hipoeutéctico comercial, cuya composición quí-mica es [11: C= 2,95%; Mn= 0,70%; Si= 2,38%;

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TEMPERATURA. -C.

Fig. 2. Curva Dilatornétríca típica para una Fundición Dúctil,

cuando se usan bajas velocidades de proceso.

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Pr= 0,036%; S= 0.020% y Mg= 0,017%. A partir deél, sé mecanizaron muestras cilíndricas cuyas dimen-siones son 5,0 mm de diámetro y 65,0 mm de longi-tud, que se colocaron en el interior del horno de unDilatómetro Chevenard, utilizando velocidades decalentamiento de 300, 150, Y 125 °C/hr, seguidas deenfriamientos a velocidades de 700,300,150,125,80Y 60 °C/hr. Los datos experimentales quedan escritosen forma de curvas, como la que se esquema tiza en laFig. 2 [1], proveyéndonos de la suficiente informa-ción para la determinación de las diferentes tempera-turas de transformación, las cuales fueron obtenidasmediante las intercepciones de las proyecciones delas líneas que siguen los cambios de pendiente paracada tramo. Estas curvas de dilatación-temperatura,se obtuvieron para las diferentes velocidades tantode calentamiento cómo de enfriamiento y para untiempo de mantenimiento de 10 minutos a la tempe-ratura de 890°C.

La nomenclatura usada para la identificación decada una de las transformaciones observadas, se defi-nieron [1] así:

T1h: es el primer cambio de pendiente que seobserva durante el calentamiento de lasprobetas,

T2h: representa al segundo cambio en la pen-diente de la curva, durante el calenta-miento y corresponde a la temperatura ala cual se produce un cambio de pendientede sentido positivo a negativo,

T3h: es el último cambio de pendiente negativaa positiva, que sucede durante el calen-tamiento,

T4c: . corresponde al primer cambio de pen-diente que se observa durante el enfria-miento,

T3C: es el nombre dado al cambio de pendientepositivo a negativo, durante el enfria-miento y

T4c: es el último cambio de pendiente negativaa positiva y corresponde a.la última tem-peratura de transformación que observa-mos durante el enfriamiento.

En la tabla 1, se vacía la información obtenida apartir de cada una de las curvas. dilatación-tempe-ratura,_ correspondientes a cada ensayo.

La Fig. 3, se ha construido a partir de los datos dela Tabla 1; en esa figura se representan las temperatu-.ras de transformación como una función de las velo-cidades de calentamíenro (O) y de enfriamiento (.ó.)usadas. Las líneas continuas, indican las temperatu-ras obtenidas experimentalmente al calentar, mien-tras que las líneas discontinuas representan al pro-ceso de enfriamiento. Los puntos en negro, es decir,los puntos rellenos, corresponden a la temperaturacrítica inferior; mientras que, los puntos claros nosindican la temperatura crítica superior. Notemos,que los puntos circulares son indicativos del calenta-

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,

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(ESCALA LOGARITMICA)Fig.}. Ilustración del Rango de Temperaturas de Transformación, durante el Calentamiento(O) y durante el Enfriamiento (.0.), como una

funci6n de las Velocidades de Ensayo.

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TABLA I

EFECTO DE LAS VELOCIDADES DE CALENTAMIENTO Y DE ENFRIAMIENTO,SOBRE EL RANGO CRITICO DE TEMPERATURAS

CALENTAMIENTO ENFRIAMIENTOVelocidad Temperatura, °C Velocidad Temperatura, °C°C/hr r., T2h r; °C/hr T4c T3c T2c

300 740 780 830 790 820 700 680300 705 780 825 750 820 705 675300 700 780 830 300 830 725 680300 710 775 830 300 830 720 680150 700 775 820 150 825, 730 695·150 705 775 825 150 825 725 695125 710 770 810 125 820 730 700125 700 775 800 125 830 725 690125 705 775 805 125 825 725 700125 705 770 805 125 830 730 700125 670 770 800 80 _. 730 690125 670 765 810 80 825 730 705125 690 780 820 80 820 730 710125 720 760 810 80 830 725 700125 720 765 805 68 825 725 690125 690 760 810 65 820 730 690125 670 765 800 63 825 720 690125 670 770 800 60 - 730 690

miento y que los puntos triangulares se usaron pararepresentar el enfriamiento.

DISCUSION DE RESULTADOS

Alinspecdonar la Fig. 2, que corresponde a lacurva de dilatación-temperatura, podemos notar quecuando se alcanza la temperatúra Tlh durante el ca-lentamiento, se produce un apreciable cambio en lapendiente de la curva; eso se debe [6] a la expansióntérmica de los sistemas hierro-carbono-silicio sinalear, lo cual es debido a la grafitización sub crítica, yaque a temperaturas entre 593 y 760 =C, la perlita sedescompone completamente en ferrita más grafito[16], sucediendo esto, antes de que aparezcan las pri-meras trazas de austenita, que será cuando se alcanzala temperatura T2h [1,15]. Si observamos las tempe-raturas Tlh en la Tabla 1, notamos que nuestros resul-tados están entre esos valores de 593 a 760oe,aunque desplazados hacia el extremo superior,dando una temperatura promedio, T1h,pr de 699°C.El promedio de las diferencias entre las temperaturasde inicio de la grafitízación subcrítíca y las de iniciode la transformación de la austenita es de 72.8 =C,concordando este resultado con el obtenido en labibliografía [16].

Es de hacer notar, que cuando se usan muy altasvelocidades de calentamiento, el cambio de pen-diente a la temperatura Tlh se suprime, debido esen-cialmente a't¡ue la austenita se forma alrededor de losnódulo s de grafito [17]; sin embargo, a bajas velo ci-

dades, la austenita se forma a lo largo de los bordes degrano de la ferrita, lo que está de acuerdo al modelode descomposición de la austenita propuesto porBrown y Hawkes [18] y sustentado experimental-mente por Johnson y Kovacs [5]. De acuerdo a Ueda yWade [19], otro aspecto a considerar en el proceso deaustenización es el efecto producido por la microes-tructura inicial, el cual no lo hemos considerado eneste trabajo.

La transformación de la ferrita en austenita se,inicia a la temperatura T2h y se finaliza la reaccióncuando se alcanza la temperatura T 3h; correspon-diendo esta temperatura, a la crítica superior duranteel calentamiento [1]. La amplitud promedio de esterango de temperaturas, que corresponde al rango crí-tico de temperaturas durante el calentamiento, ex-perimentalmente nos dio 41,4 0C. Si la ecuación(2) permitiera determinar el tope, T3h, seríaT yh, e-ale. = 780.3 °e, con 10 cual se obt~llGhía un rangode 50,3 -c para la aleación que fue usada; sin embar-go, la temperatura inferior promedio experimental,T2h:pr es de771,7 °e, que está aScó "C por debajo de lacalculada. La temperatura superior promedio expe-rimental, T 3h, r es de 813,1 °C, que está a 32,8 °C porencima del varor calculado mediante la ecuación (2).En consecuencia, sugerimos que la temperatura Tes

que se obtiene mediante cálculo, corresponde a lacrítica inferior durante el calentamiento, cuando elproceso sucede a bajas velocidades; produciéndoseentonces; discordancia con las afirmaciones de Reh-der [4]. Cuando las velocidades de calentamiento son

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altas, experimentalmente se ha demostrado [17] quela transformación de perlita en austenita a la tempe-ratura T2hse suprime, haciendo que haya un cambioen la nucleación y s,eproduzca en la interfaz nódulo-ferrita.

A partir-de la TablaIyde las Figs. 2 y 3, se observaque durante el enfriamiento se produce un pronun-ciado efecto de histéresis en las temperaturas detransformación. Eso se debe al efecto combinado dela composición química y de las velocidades tanto decalentamiento como de enfriamiento, que afectan laformación de la ferrita [4, 20, 2.1], lo que a su vez,afecta también a la estabilidad de la perlita [22]; porlo tanto, cuando se alcanza la temperatura T4e, se ini-cia la transformación de austenita a ferrita [3, 23] Ylareacción de la transformación de austenita a perlitase ve suprimida hasta una temperatura T 3D debido alsubenfriamiento, siendo éste una función del conte-nido de silicio [11]. Experimentalmente estos suben-fríamientos nos dan un rango promedio de 101,6 °C;pudiéndose notar, que para muy bajas velocidades deenfriamiento, digamos 60 a 80 °C/hr, el promedio esde 97,5 °C; mientras que, para las mayores velocida-des de enfriamiento ensayadas, 300 y 700 =Cz hr, elsubenfriamiento promedio es de 112,5 0c.

Como la transformación perlítica es una reac-ción controlada por difusión, ella requiere de untiempo de residencia que está dado por el rango detemperaturas entre T3c YT2c, para que se completetotalmente la transformación. Nuestros resultadosmuestran que ese rango, en promedio es de 31,9 °C;siendo de 30,7 =C, para las velocidades de éo a80 °C/hry de 33,8 °C, para las mayores velocidades de enfria-miento que ensayamos.

Mediante el uso de análisis de regresión, se ob-tuvieron las siguientes ecuaciones para el calen-tamiento:

T2h= 714,7 + 11,3 In Rh (0C)

T3h= 685,1 + 25,4 In Rh (0C)

siendo Rh, la velocidad de calentamiento, °C/hr.Susrespectivos coeficientes de correlación son de 0,63 yde 0,83; las desviaciones normales para ambos casoses de 0,37. El comportamiento experimental encon-trado, está de acuerdo con los de Okumorio ysuscolaboradores [21], quienes afirman que esas-líneasson paralelas entre sí. Cuando se analiza el enfria-miento mediante regresión, no se encuentra ningunarelación particular que describa nuestros resultadosexperimentales, que en la Fig. 3, se han dibujadomediante trazos discoritinuos.

y

Cuando se comparan las temperaturas de trans-formación T3hy T3c, hay una diferencia promedio de

,88,9 =C. Este subenfriamiento es probablemente unaindicación de la resistencia que ofrece el carbono adisolverse enla matriz, como una consecuencia de lamicrosegregación; más aún, cuando comparamos lasmagnitudes promedio del rango crítico tanto para

calentamiento como para enfriamiento, obtenemosuna diferencia de 9,5 °C, siendo el menor valor paraeste último.

Estos hechos, junto a la no obtención de un com-portamiento particular para el enfriamiento y unidoa la histéresis de las transformaciones que comproba-mos con nuestras curvas de dilatación-temperatura,nos hacen afirmar con seguridad, que el subenfria-miento de la reacción eutectoide en las fundiciones

, de hierro es lo suficientemente grande para producirapreciables desplazamientos en lassolub ilídades decarbono, tanto en la austenita de composición eutec-toide, como en la ferrita [1, 15], lo cual es debido aque la difusión del silicio en la austenita, hace decre-cer la solubilidad del carbono en ella [24].

CONCLUSIONES

Importantes resultados generados en el presentetrabajo, pueden resumirse de la siguiente manera:

a) La dilatometría es un instrumento útil para de-terminar las temperaturas de transformación dela reacción eutectoide en las aleaciones comer-ciales conocidas como fundiciones de hierro;permitiéndonos así, presentar y discutir lastransformaciones detectadas mediante las cur-vas dilatación-temperatura y poder producir unamuy resumida contribución hacia el entendi-miento de la reacción eutectoide en los sistemashierro-carbono-silicio.

b) El análisis de los resultados experimentales nosllevaron a concluir que la temperatura de trans-formación que se calcula mediante la ecuación(2), es la crítica inferiordurante el calentamien-to, designada por nosotros como T2h, cuando lasvelocidades de ensayo son bajas. Al mismo tiem-po, se encontró que el comportamiento de lastemperaturas de transformación durante el ca-lentamiento, siguen una expresión del, tipoTT = a + b In Rh; sin embargo, nada se pudo con-cluir sobre el comportamiento al enfriamiento,lo cual es debido a los fenómenos de microsegre-

. gación dendrítica producidos por Iapresencía dealtos contenidos de silicio. A "su vez, este ele-mento tiene marcado efecto sobre los desplaza-mientos de las curvas de transformación de lareacción eutectoide en este tipo de aleacionesferrosas.

AGRADECIMIENTOS

Damos nuestras muestras de agradecimiento alCONICIT, por el financiamiento de estas investiga-ciones, según proyecto Sl-0428.

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REFERENCIAS

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