FABRICACIÓN DE FUNDICIÓN NODULAR Chihuaque

8/13/2019 FABRICACIN DE FUNDICIN NODULAR Chihuaque

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FABRICACIN DE FUNDICIN NODULARJo sLu is Enrqu ez Ber ci ano Dr. en C ien cias Qum icas

Enrique Tremp s Guerra Dr. Ingeniero de MinasUniversidad Politcnica de Madrid

Una composicin tpica de arrabio Sorelmetal de bajo silicio, especial para nodular, es 4,20%

carbono, 0,10% silicio, 0,15% manganeso, 0,02% azufre y 0,02% fsforo. El contenido de titanio delos arrabios no debe en ningn caso ser igual o mayor que 0,07%.

6. TRATAMIENTO DE NODULIZACIN

Objetivo primordial en la fabricacin de fundicin nodular es la formacin de grafito esferoidalmediante la adicin de cantidades pequeas de magnesio, bien puro o bien combinado con otroselementos. La cantidad mnima de magnesio retenido necesaria para producir un grafitoesencialmente nodular oscila entre 0,018 y 0,050; viene determinada por los contenidos de azufrey oxgeno del hierro base.Como es notorio, dada la baja temperatura de vaporizacin del magnesio, seproducen proyecciones y combustin prematura, por lo que se ha dedicado granesfuerzo investigador en el control de estas circunstancias, actuando sobre lasaleaciones nodulizantes o sobre los mtodos de adicin.

6.1. PRINCIPIOS BSICOS Y ALEACIONES ESFEROIDIZANTESPara conseguir la cristalizacin del grafito en forma esferoidal, la fundicin lquidadebe ser sometida a dos tratamientos consecutivos:1) Tratamiento de esferoidizacin2) Inoculacin secundariaEl primero consiste en aadir a la fundicin lquida, por los procedimientos que seconsiderarn ms adelante, una aleacin que contenga un elementoesferoidizante.El nmero de estos elementos es bastante limitado y, principalmente, son el Mg,Ca, Ba, Ce y Sr. Aleando el magnesio con metales pesados como Fe, Ni, Cu o Si,la presin de vapor puede reducirse considerablemente, pero la reaccin con la

fundicin ser todava violenta si la proporcin de magnesio en la aleacin essuperior al 50%. Slo se evita el peligro con proporciones de magnesio inferioresal 25%.El punto de ebullicin del magnesio puro se sita, aproximadamente, entre 1.100 y1.500 C, temperatura normal de tratamiento de la fundicin lquida, alcanzando lapresin de vapor del magnesio las 10 atmsferas. Por ello, la adicin de magnesioa la fundicin lquida provoca una vaporizacin explosiva que implica peligrosasproyecciones de metal lquido. El magnesio no puede, por tanto, utilizarse enestado metlico puro excepto si se recurre a tcnicas especiales de adicin que severn ms adelante. Las aleaciones esferoidizantes ms empleadas actualmentepueden clasificarse en varios grupos, segn la naturaleza del elemento portador:

1. Nquel como elemento portador:15 Mg - 85 Ni.15 Mg - 30 Si - 55 Ni.2. Ferrosilicio como elemento portador:5 Mg - 45 Si - 2 Ca - resto hierro.10 Mg - 45 Si - 2 Ca - resto hierro.15 Mg - 50 Si - 4 Ca - resto hierro.3. Silicio como elemento portador:


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10 Mg - 65 Si - 6 Ca - resto hierro.18 Mg - 65 Si - 2 Ca - resto hierro.30 Mg - 60 Si - 4 Ca - resto hierro.20 Mg - 36 Si - 20 Ca - 20 tierras raras - resto hierro.Las aleaciones del tipo Fe Si Ca Mg con 20 a 30% de Ca apenas se utilizan

actualmente por ser demasiado ligeras y de reactividad muy dbil. Adems, sedesintegran lentamente por oxidacin atmosfrica. Hay algunas aleaciones quecontienen, adems cerio y otros elementos de las tierras raras (mischmetall) quese emplean para compensar o anular la influencia de otros elementos perniciosos.La composicin de esta aleacin especial es 44,9% de cerio, 24,5% de lantano,6,0% de praseodimio, 19,5% de neodimio, 2,1% de samario, 0,5% de itrio.En cualquier caso, hay que tener en cuenta que la tecnologa en este campo estcambiando constantemente, por lo que para estar al da, habr que consultar a losproveedores.La cantidad de aleacin que debe adicionarse a la fundicin lquida para obtener elgrafito esferoidal depende de varios factores, entre los que desempea un papelpreponderante el contenido de azufre, ya que el magnesio presenta mayorafinidad con el azufre que el hierro o manganeso. Por ello, cierta cantidad demagnesio adicionada al bao ser consumida por la desulfuracin con laformacin de MgS. Durante esta reaccin, una unidad de azufre se combina con unidades (0,75) de magnesio.Se ha comprobado experimentalmente que la esferoidizacin perfecta requiere lapresencia en la fundicin de cierta cantidad de magnesio residual, como ya se citanteriormente, que segn las circunstancias oscilar entre 0,03 y 0,06%. Por otraparte, el rendimiento del magnesio no es del 100% sino que depende de latemperatura de la fundicin, del proceso de tratamiento empleado y del contenidode magnesio de la aleacin.Esto se ve en el siguiente cuadro:

Mg en la aleacin RendimientoMg puro 0

50 10 - 258 - 12 20 - 408 - 12 40 - 60

Teniendo en cuenta los distintos factores que se acaban de sealar, la cantidadtotal de magnesio que se necesita adicionar a la fundicin para esferoidizar stapuede calcularse mediante la frmula siguiente:

0,75 ( S1S2 ) + Mg residualMg total =

Mg recuperadoen la que S1 es el azufre antes del tratamiento y S2 es el azufre despus deltratamiento. Algunas frmulas ms complejas tienen tambin en cuenta lavelocidad de enfriamiento o, en otros trminos, el espesor de pared de las piezas yel tiempo que transcurre entre la incorporacin del magnesio y la colada de losmoldes. La obtencin de grafito esferoidal es, efectivamente, ms fcil en laspiezas delgadas que en las gruesas y masivas.Por otra parte, la proporcin de magnesio residual en la fundicin lquida decaeprogresivamente en funcin del tiempo, y a razn de aproximadamente 0,001%


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por minuto, o sea 0,01 cada 10 minutos. Est claro que una fundicin coladaveinte minutos despus del tratamiento debe contener ms magnesio residual queotra utilizada poco tiempo despus de la esferoidizacin. De una manera general,a la hora de implantar un mtodo de nodulizacin hay que prever la resolucin delas siguientes dificultades que presenta la adicin de aleaciones ligeras a la

fundicin lquida:Bajo punto de fusin y elevada presin de vapor.Densidad muy baja y escasa solubilidad en la fundicin.Gran afinidad por el oxgeno y alta reactividad.Recuperacin baja y errtica de elementos.Formacin de inclusiones no metlicas perniciosas.Tendencia a formar polvo reactivo.Reaccin pirotcnica violenta y peligrosa.Riesgos potenciales para la salud del personal implicado.Impacto ambiental bastante desfavorable.Los procesos de tratamiento nodulizante pueden dividirse en dos grandes grupos,segn el producto empleado:Procesos que emplean aleaciones de magnesio.Procesos que emplean magnesio puro, ms o menos protegido.

MTODOS DE NODULIZACINProceso SandwichDesarrollado por la Ford Motor Company, se representa esquemticamente en laFigura 53. Ha sido el mtodo ms usado para producir grandes cantidades defundicin nodular para piezas de automocin, y es un proceso que ha sufridomltiples variaciones (Figuras 54 y 55) cuyos principios esenciales siguen siendolos mismos.Como puede verse, la aleacin nodulizante de magnesio se coloca en un alvolo

practicado en el fondo de la cuchara, y se cubre con una capa protectora dechapas o punzonaduras de acero, escamas de fundicin nodular o viruta, cuyoobjeto es retrasar el contacto entre el metal lquido y el nodulizante. El peso deesta cubierta no es fijo, siendo ms o menos un 2% del metal tratado o igual alpeso de aleacin nodulizante.Si la cuchara se emplea de continuo y, por consiguiente, est muy caliente, laproteccin se hace con carburo clcico que, por el calor de la cuchara, se sinterizay forma un caramelo que protege la aleacin el tiempo necesario para el llenadode la cuchara. Es el proceso Trigger (Meehanite Co.) mostrado en la Figura 56. Enalgunos casos en los que la cuchara no est lo suficientemente caliente, el carburose sustituye por arena de cscara o de silicato-CO2. Si la costra protectora no se

rompe espontneamente se pica con una barra gruesa y afilada.Otra variante, cada vez ms utilizada, es el proceso Teapot.Se trata de una cuchara de tetera en la que el alvolo para el magnesio seencuentra situado diametralmente opuesto a la tetera. Mediante un sistemaespecial, el caldo entra por la tetera, con lo que se mantiene libre de cualesquieraespumas o residuos de tratamiento.


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Los productos finales de las reacciones de tratamiento con Mg tienden a serbsicos, y los revestimientos cidos tienden a atacarlos. Adems, las reaccionesde desulfuracin (sea mediante el empleo de Mg o el de otro agente mseconmico) no son satisfactoriamente eficaces frente a revestimientos cidos. Seha utilizado arcilla refractaria grafitada o revestimientos de carbn, pero tienden a

oxidarse y dan tambin mayores prdidas de temperatura.Los revestimientos bsicos, como doloma estabilizada o magnesita colocada conpisn neumtico, son factibles pero costosos, y deber controlarsecuidadosamente su respuesta a los cambios de temperatura, especialmente entreperodos de utilizacin.Los revestimientos neutros de cromo-magnesita o carburo de silicio, o algunos delos xidos fundidos puros, son superiores pero de aplicacin ms limitada. Unmaterial de muy buenas propiedades es la almina en burbujas, constituida poresferas huecas de un 98% de Al2O3 fundidas en horno elctrico. stas tienen untamao no superior a 2,5 mm, y estn aglomeradas mediante cemento dealuminato clcico de alta pureza ("Secar").Es un excelente material refractario y resiste al ataque de los productos dereaccin. Proporciona una superficie de revestimiento duradera y es un materialaislante eficaz. Las prdidas de temperatura se reducen aproximadamente en un50%, con las consiguientes ventajas prcticas. Para tales revestimientosfundidos oapisonados se precisa un molde, con una separacin de 50 a 60 mm.,como mnimo, entre dicho molde y el apisonado.La porcin comprendida entre la tetera y la cuchara no deber ser inferior a 70mm.Clculo de adicin nodulizante:Pudiera parecer que en una aleacin muy pura de hierro, carbono y siliciototalmente exenta de azufre sera suficiente con un tomo de Mg por cada 5.000tomos de Fe (dicho de otra forma, menos de 0,01% de Mg en peso) paraproporcionar grafito nodular. Cuando est presente el azufre, incluso en muy bajascantidades, al Mg residual precisado para neutralizar el azufre hay que aadir un0,01 - 0,02% en exceso. Como es sabido, se han obtenido buenas estructuras conporcentajes inferiores de Mg. Hay que tener presente que la determinacinrutinaria de contenidos de Mg y S muy bajos es difcil, y los materiales utilizadostienen una marcada influencia sobre el porcentaje deseado de Mg residual.Cuanto ms alta sea la pureza del caldo, menor ser la cantidad de Mg requerida,an partiendo de un contenido alto de azufre antes del tratamiento.


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La Tabla 6 expresa las necesidades mnimas de Mg, que pueden versegrficamente en la Figura 58.

Estas adiciones recomendadas o la proporcin de Mg residual deseada se ven

modificadas por elevadas temperaturas de tratamiento, mayor espesor de laspiezas o por mayor duracin de las operaciones posteriores de transvase y colada.La cantidad de aleacin que debe aadirse para obtener la conveniente adicin demagnesio depender del rendimiento de recuperacin de Mg obtenido en laprctica. Una vez fijada la recuperacin de Mg, pueden variarse los otros factoresde trabajo para regular el proceso. Hay que insistir en que los factores de trabajo yla tcnica seguida en la prctica son aqu vitales.


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No se trata slo de saber qu est ocurriendo, sino tambin y, principalmente, laforma en que se est desarrollando el proceso.La influencia del tamao o espesor de las piezas a fundir sobre la cantidad de Mgrequerida slo debe tenerse en cuenta en el caso de dimensiones extremas. Enlos intervalos comprendidos entre 8 - 10 mm. y 150 - 160 mm. Y entre 1 kg. y 500 -

600 kg. pueden aplicarse las adiciones anteriormente recomendadas. Si losmateriales que constituyen la carga son de alta pureza es suficiente una adicinde 0,03 - 0,04% de Mg para secciones de 120 - 200 mm. y pesos de hasta 3 t,pero se considera normalmente que es necesaria una adicin de 0,05 - 0,06%. Enel otro extremo, para espesores de 3 - 6 mm. y pesos inferiores a 1 - 2 kg. esnecesario evitar un Mg residual demasiado alto y puede considerarse comomargen aceptable de trabajo un 0,02 - 0,04% para minimizar la formacin decarburos.La adicin se controla por el contenido de azufre y la temperatura del hierro base.El rendimiento del proceso se ve afectado por la tcnica utilizada, y esto se tomaen cuenta en el clculo:

0,75 S + MgRESW = x 10.000

MgREC x MgAEn donde:W es la adicin expresada como kg Fe Si Mg / 100 kg metal.S es el porcentaje de azufre en la fundicin base.MgRES es el porcentaje de Mg residual deseado o previsto.MgREC es el rendimiento o recuperacin de magnesio, expresado en%.(Para contenidos muy bajos de azufre puede despreciarse el factor + 0,75 queprecede a S).MgA es el porcentaje de Mg en la aleacin nodulizante.

La Tabla 7 expresa los consumos de nodulizante Fe Si Mg en proceso Sandwichuna vez definidos los contenidos de magnesio residual y los porcentajes derecuperacin.


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Puede apreciarse que con aleacin de 5% de magnesio las recuperaciones sonapreciablemente mejores.Por otra parte, la reaccin es menos violenta y, adems, pueden tratarse pesospequeos de caldo. Al igual que ocurre con la aleacin de 10% de Mg, no puededarse un valor especfico del grado de recuperacin, aunque la experiencia indica

valores comprendidos entre 50 y 70%.En la mayora de los casos en que se ha sustituido el Fe Si Mg de 10% de Mg porel de 5%, las experiencias pueden dividirse en tres grupos. En primer lugar estnaquellas en que la sustitucin directa, sin modificar los pesos de aleacinadicionados ni los pesos de metal tratados, han producido piezas totalmentesatisfactorias. En segundo lugar, y en el caso concreto de pequeos pesos detratamiento (150 - 200 kg.), algunas fundiciones han visto favorable aadirmenores porcentajes de aleacin que cuando utilizaban la de 10% Mg. En tercerlugar, se encuentra el grupo ms reducido de fundiciones que han consideradoconveniente una superior adicin en el caso de Fe Si Mg de 5% Mg, aunque losresultados econmicos derivados no compensan los problemas surgidos por elaumento en el contenido final de silicio.Muchos fundidores saben por experiencia que, para contenidos muy bajos deazufre, ms frecuentes en las condiciones normales de trabajo, pueden obtenersemenores contenidos finales de magnesio. Las piezas menores de 100 mm. deespesor o de 100 kg. de peso no presentan problemas para obtener un 0,030% deMg final con tal de que el contenido de azufre inicial sea inferior a 0,02%. Si seconsidera este hecho relacionado con la sustitucin de la aleacin de 10% Mg porla de 5% Mg, este cambio se ha realizado frecuentemente sin alteracin en elporcentaje de adicin. Sin embargo, cuando la adicin de la aleacin de 10% deMg ha sido realizada eficazmente, consiguiendo un nivel bajo de magnesio,normalmente se ha considerado necesario un incremento de un 20% en la adicinde la aleacin.El hecho de que la reaccin sea menos violenta hace posible el manejo decucharas ms llenas. As ha ocurrido que sin cambiar el peso de adicin de lascucharas empleadas (normalmente de pequea capacidad, 200 300 kg) se hanpodido colar mayores pesos de caldo consiguiendo recuperaciones inasequiblescon la aleacin de 10% Mg.El aumento de silicio es una consecuencia del empleo de ferro-silicio-magnesio. Elmayor valor posible es un 45% del peso del Fe Si Mg aadido. Para mantener elcontenido final del silicio de las piezas dentro de los lmites requeridos hay queregular el contenido de silicio de la fundicin base de partida y conseguir la mayoreficacia de la reaccin con un mnimo contenido de azufre.Recuperacin del magnesio:La Tabla 8 sirve de gua para predecir los rendimientos esperados cuando seemplea el mtodo sandwich. El rendimiento obtenido en cualquier fundicin dadaprecisa ser evaluado mediante controles y debe verificarse peridicamente, a finde asegurar mantenimiento del control y parmetros de trabajo. La Figura 59expresa grficamente los valores de la tabla anterior. Finalmente, en la Figura 60aparecen, de forma aproximada, los valores de magnesio necesarios para obtenergrafito esferoidal en funcin de los contenidos de azufre de la fundicin tratada.Hay otros factores que afectan a la recuperacin, como son:


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ndice de saturacin.Pesos de tratamiento.Temperatura del caldo.Revestimiento de la cuchara.El carbono equivalente y el carbono equivalente en el liquidus vienen dados,

respectivamente, por las frmulas:Si + P Si PCE = CT + y CEL = CT + +

3 4 2y el grado o ndice de saturacin se expresa como

CTSC =

Si + P4,3

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Pues bien, cuando estas magnitudes aumentan tambin lo hace el rendimiento derecuperacin.En lo que concierne al peso del metal tratado en la cuchara se ayuda ligeramentea la recuperacin, debido a la mayor profundidad del metal en la misma. Lasprdidas de temperatura tienden a disminuir a medida que aumenta el peso detratamiento, permitiendo que se utilicen temperaturas de tratamiento ligeramentems bajas.

Adems, los mayores pesos de tratamiento son frecuentemente para piezasfundidas ms pesadas, que precisan tambin de temperaturas de colada ms

bajas. Todos estos factores resultan en la consecucin de mejoresrecuperaciones.


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Al aumentar la temperatura aumentan las velocidades de reaccin y de destilacindel Mg. Por encima de 1.500 C esto sucede con una excesiva rapidez y rara vezes aconsejable llevar a cabo tratamientos por encima de esta temperatura.Siguiendo el modo normal de operar se puede tener un caldo a 1.420 1.450 Cdespus del tratamiento con Mg usando Fe Si Mg sin necesidad de superar los1.500 C en la piquera del horno. La necesidad de trabajar a temperaturas altasslo est justificada por el empleo de cucharas fras, excesivos tiempos demanipulacin o por colar piezas delgadas. Estos inconvenientes se subsanan con

cucharas precalentadas convenientemente (con fundicin lquida, a ser posible),manipulacin correcta y sistemas adecuados de alimentacin que aprovechen lafluidez de la fundicin esferoidal.Cuando se han verificado los contenidos de azufre, las temperaturas detratamiento y los pesos de adicin y de caldo, una de las fuentes ms frecuentesde resultados errticos es el material del revestimiento de la cuchara.Frecuentemente se utiliza una arcilla refractaria corriente (silicoaluminoso). stadar resultado satisfactorio si est limpia. Es objeto de ataque por los productosde reaccin muy bsicos, pero no es capaz de fijar los componentes ricos enazufre. Despus de unos pocos tratamientos consecutivos, por ejemplo unos 20,el frente de arranque es causa potencial de una recuperacin reducida y de una

mayor cantidad de escoria. El uso de revestimientos bsicos o neutros apisonadosobviar esto. Pero si no se adoptan precauciones especiales los revestimientosbsicos deben renovarse frecuentemente a causa de la estabilidad del propiorefractario a temperaturas ambientes en atmsferas normales.Prdidas de magnesio:El punto de ebullicin del Mg puro a presin atmosfrica es de 1.100 C. Sinembargo, en ciertos casos se hace bajar la actividad, se reduce la presin devapor y la destilacin de magnesio procede lentamente. La colada y solidificacin


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de las fundiciones pueden producirse en condiciones de ausencia de agitacin enlas que la prdida de Mg a temperaturas de 1.350 C y por debajo esdespreciable. Por encima de 1.350 C y hasta 1.400 C, en una cuchara de coladaprofunda, sin agitar o inclinar la cuchara, los efectos combinados de la destilaciny la oxidacin de la superficie no dan lugar a muchas dificultades prcticas.

Por encima de 1.400 C, cuando se utilizan cucharas de colada poco profundas,con tetera o vertido por el borde, en las que el vaciado implica inclinar la cucharaadelante y atrs, descubriendo nuevas superficies de metal al ambiente, la prdidade magnesio o desaparicin gradualde magnesio pasa a ser un factor de granimportancia prctica; la velocidad de desaparicin gradual de magnesio aumentarpidamente con la temperatura y con el contenido de magnesio. Estos dosfactores, combinados con el tiempo que el metal se mantiene en la cuchara,

pueden obligar a duplicar el contenido de Mg residual precisado despus deltratamiento, con el fin de asegurar un contenido de Mg suficientemente altocuando se cuelan las ltimas piezas.

MANTENIMIENTO DE LA FUNDICIN NODULIZADA


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Desaparicin de la nodulizacin Una fundicin puede haber sido correctamentetratada y tener un grafito perfectamente esferoidal. Sin embargo, al cabo de untiempo relativamente corto, los ndulos de grafito se han transformado en lminas;es el fenmeno de desvanecimiento (decay) de la accin nodulizadora, sobre elcual hay diferentes teoras y explicaciones.

Una causa clara podra ser la desaparicin del magnesio por combinacin conoxgeno o azufre:Mg + O _ Mg OMg + S _ Mg SDado que la afinidad por el oxgeno es mayor que por el azufre, la reaccinpredominante ser la primera, favorecindose la formacin del xido en lugar delsulfuro. Si la fuente de oxgeno no es el aire sino un xido (slice, por ejemplo), lasreacciones ahora seran:2 Mg + Si O2 _ Si + 2 Mg O2 Mg S + Si O2 _ Si + 2 Mg O + SHay factores que influyen en la velocidad de desvanecimiento.Por ejemplo, cuanto mayor es el contenido inicial de magnesio o la temperatura dela fundicin, ms rpido ser el desvanecimiento. Por otra parte, la retirada rpidade la escoria contribuye a frenar ese efecto desfavorable.Finalmente, el desvanecimiento de la accin nodulizadora se da con ms rapidezfrente a un revestimiento cido (slice) que otro bsico (magnesia o doloma).Pero adems se produce un desvanecimiento adicional que se manifiesta en elmenor nmero de ndulos por mm2 y por la prdida de esferoidizacin del grafito,que no puede explicarse simplemente por altos contenidos de azufre o por uncontenido inadecuado de magnesio.Mantener la fundicin lquida nodulizada ofrece varias ventajas, siempre y cuandose minimice la degradacin metalrgica.Por ejemplo, se reduce el nmero de tratamientos, proporcionando, por tanto, untipo semicontinuo de trabajo ms flexible y barato; alcanzar buen control delcontenido de magnesio mediante dilucin con fundicin no tratada; y, finalmente,flotacin de la escoria y consiguiente disminucin de los defectos provocados porsta.Todo ello implica recibir y mantener la fundicin lquida base tratada con magnesioen un horno hermtico de induccin de canal. La entrada de caldo estardispuesta de forma que se evite la entrada de aire a la cmara de mantenimientodel horno, hacindose la colada por un sistema sifnico. La parte de la cmara demantenimiento que no est ocupada por el caldo se llena de argn con unapequea presin positiva en su interior.Es mejor emplear argn porque se ha visto que el nitrgeno tiende a formar nitrurode magnesio Mg3N2 y el grafito esferoidal se desvanece en un tiemporelativamente corto. Con cubrimiento de argn la fundicin aguantara 6 a 10 horasa casi 1.300 C sin que se produzca desvanecimiento.Y es que, por otra parte, el vapor de magnesio es forzado a introducirse en el baogracias a la accin combinada de la mayor presin de gas argn y el efecto decirculacin del caldo en el canal del inductor.


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El mtodo normal es llenar el horno con una fundicin nodulizada pero noinoculada, la cual se va extrayendo para colar moldes a la vez que recibe lainoculacin con ferrosilicio del 75% o cualquiera de sus variantes.Sistema PresspourLa experiencia adquirida ha sido aprovechada para la fabricacin de fundiciones

nodulares desde 1972 en la firma A.B. Jarnforsdling, de Halleforsnas, Suecia. Seemplearon hornos de induccin de canal, de 3, 10, y 20 toneladas paramantenimiento de caldo nodulizado. Los hornos, de construccin hermtica,fueron diseados y construidos por el Departamento de Hornos de la firma sueca

ASEA, y han devenido en lo que en la actualidad est ampliamente difundido conla denominacin de equipo Presspour. El horno lleva un sistema de cierre ysellado, as como una dosificacin para el gas. Adems, el sistema automtico decolada presurizada produce menos defectos por impurezas, con la consiguientemejora en las caractersticas mecnicas de las piezas obtenidas (Figura 110).

En un horno de este tipo, diseo teapot, para rellenar y colar, el magnesio delcaldo est en equilibrio con la atmsfera del horno. Al no haber oxgeno en ella, nohabr consumo de magnesio y, en consecuencia, el tiempo de mantenimiento

podra llegar a ser tericamente infinito.Sin embargo, en la prctica, una cierta merma de magnesio es inevitable, debidoprincipalmente a fugas en el cierre de la cuba del horno, combinacin con elrefractario, reaccin con xidos, etc. Pruebas realizadas en un horno de 14toneladas han demostrado la posibilidad de 7 u 8 horas de mantenimiento, cuandoen condiciones convencionales atmosfricas seran slo 15 minutos. El contenidoen magnesio para un 80% de nodulizacin sera de 0,011%, mientras que encondiciones convencionales sera de 0,035%. El porcentaje de disminucin de


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magnesio en Press-Pour es unas treinta veces menor. Durante el servicio sepuede emplear nitrgeno como gas protector, usndose el argn en los perodosde mantenimiento.

Aparte de las ventajas mencionadas, aparecen otras de tipo operativo y decalidad. La fundicin nodular de buena calidad puede colarse varias horas

despus del tratamiento nodulizante. El almacenamiento de la fundicin nodularresulta en la separacin de los productos de reaccin de la fundicin, eliminandoporosidades y problemas de espumas y reduciendo la incidencia de los carburos.Finalmente, se mejora la fluidez de la fundicin depurada por almacenaje,mejorndose tambin las caractersticas de alimentacin.INOCULACIN DE LA FUNDICIN NODULIZADAFundamento metalrgicoLa inoculacin es un paso necesario en la produccin de fundicin nodular. Lasfundiciones nodulizadas pero no inoculadas tienen matrices casi exclusivamentecarbricas.Por otra parte, el grafito formado en la nucleacin residual puede quedar en formade compactado en lugar de esferoidal. El tratamiento inoculador es, por ello, muyimportante, y debe llevarse a cabo con el mismo cuidado y precisin que el de lanodulizacin. En el caso de la fundicin nodular, la inoculacin es la forma deinducir la formacin de esferoides de grafito (suprimiendo a la vez la generacinde carburos) y aumentar el nmero de clulas eutcticas. Hay varias teoras queintentan explicar el fenmeno. Una apunta que las partculas de un inoculantefuerte, como el ferrosilicio, al disolverse aumentan momentneamente el contenidode silicio en la porcin de metal que les rodea, sobresaturndose respecto alcarbono y precipitando partculas nucleantes de grafito. Tambin hay que tener untamao de partcula de FeSi superior al crtico, ya que las muy pequeas noaportaran suficiente concentracin local de silicio antes de disiparse. Latemperatura tambin influye, de manera que para tener rendimiento inoculador hade ser superior a unos 1.480 C.

Adems del FeSi hay otros elementos o combinaciones que actan comoinoculantes y promueven la formacin de grafito esferoidal como, por ejemplo,calcio, aluminio, bario, estroncio y nitruros de boro. Los carburos de estoselementos tienen estructuras cristalinas similares a la del grafito, con lo quepueden actuar como semillas o centros de esferoidizacin.Factores que influyenLa cantidad de carburos que se forman en piezas de pequeo espesor coladascon fundicin nodular puede reducirse mediante:Temperaturas elevadas de colada, comprendidas entre 1.320 y 1.480 C.Un azufre en el hierro base superior al 0,020%.Trabajar con un hierro base de elevado carbono equivalente, en el orden de 4,5a 4,8%.Presencia de una pequea cantidad (0,002 a 0,010%) de cerio.Efectuar un tratamiento nodulizador que lleve el contenido de magnesio a unintervalo de 0.030 a 0,045%, segn azufre inicial.Realizar una inoculacin relativamente fuerte, con aumento de 0,70 a 1,00% enel contenido de silicio.


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En general, puede decirse que en piezas delgadas, de espesores menores deunos 5 mm, niveles bajos de contenido de carburos van acompaados deelevadas cuentas de ndulos y de clulas eutcticas. Puede decirse que unainoculacin de 10 kg / t de ferrosilicio del 75% y conteniendo calcio tiene un buenefecto reductor de carburos.

Por otro lado, la inoculacin en el molde con FeSi 75% es una forma muy efectivade minimizar la aparicin de carburos masivos en piezas de nodular. Otro aspectoimportante es el momento en que se efecta la inoculacin, ya que si se haceinmediatamente despus de nodulizar, el efecto tiende a desvanecerse si el metalest en espera durante perodo largo de tiempo antes de colar.Inoculantes empleadosEl ferrosilicio de 75% es el inoculante ms empleado. Se prefiere el que contienealgo de calcio, ya que posee mayor poder eliminador de temple. Un contenidomayor de silicio no redunda necesariamente en mayor poder inoculante.Por ejemplo, una adicin de silicio puro a fundicin destinada a piezas delgadasno logra anular totalmente el efecto carburizante del magnesio. En cuanto atamao, el ms aceptado es de unos 10 mm, aunque tambin se trabaja congranos menores.Los inoculantes que contienen aluminio y calcio son ms eficientes que los queslo tienen uno o ninguno de estos elementos. Ha de tenerse presente que elaluminio aumenta la tendencia a captar hidrgeno y, en consecuencia, originar eldefecto de pinhole, por lo que su contenidoha de mantenerse bajo. El ferrosilicioms difundido es elque tiene menos de 1,50% de calcio y de 1,50% de aluminio.Los contenidos medios, tanto de calcio como de aluminio, son de un 1,00%.Hay variantes del ferrosilicio como el Inoculoy inicialmentefabricado por la Foote Mineral Company. Su composicin es: 60 - 65% Si, 1,50 -3,00% Ca, 1,00 - 1,50% Al, 4 - 6% Ba, 9 - 12% Mn y resto Fe.Muchos fabricantes de piezas en nodular tienen dificultad para mantener elcontenido de silicio por debajo de un lmite mximo cuando reciclan todos susretornos. Esta circunstancia obliga a reducir la magnitud de la inoculacin lo que asu vez redunda en la obtencin de una fundicin de peor calidad que, en piezasdelgadas y en bruto de colada, presenta cantidades fuertes de carburos y obliga arealizar un tratamiento trmico largo y costoso.Este problema, que no suele presentarse en los procesos que nodulizan conmagnesio puro, puede solventarse con el Inoculoy o derivados. Se obtiene unainoculacin efectiva para piezas de 10 mm de espesor con 4,60 de carbonoequivalente mediante la adicin de 0,13 a 0,20%.Para obtener los mismos resultados con ferrosilicio se precisa una adicin de 5 a 7kg por tonelada, lo que equivale a un 0,40 a 0,56% de silicio puro. El empleo degrandes cantidades de ferrosilicio puede aumentar los contenidos de aluminio enel hierro nodular, lo que lleva a mayor probabilidad de pinholes en las piezas.Mtodo de inoculacinEl mejor sistema de inoculacin del nodular consiste en aadir el ferrosiliciopausadamente al chorro de fundicin en el momento del recuchareo (trasvase) demanera, que siempre que sea posible, cada partcula de silicio se encuentra conuna porcin fresca de caldo.


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Menos favorable es colocar la ferroaleacin en el fondo de la cuchara sobre la quese va a verter la fundicin lquida, de manera que la temperatura del ferrosilicioaumente hasta el punto que pierda una parte considerable de su capacidadinoculadora.Esto ha quedado fehacientemente demostrado por el hecho de que el FeSi

fundido no tiene ningn efecto inoculador.Hay otros mtodos igualmente desfavorables como aadir el inoculante con laaleacin nodulizante o verter el inoculante sobre la superficie de la cuchara eintentarintroducirlo en el metal por agitacin; en este ltimo caso solamente quedainoculada la parte superior del caldo contenido en la cuchara.La cantidad requerida de inoculante depende de la composicin del hierro lquido,espesor y velocidad de solidificacin de la pieza, tipo de horno de fusin ycomposicin del inoculante empleado. Para minimizar la formacin de carburos enpiezas de espesor pequeo se efectan adiciones ms fuertes de ferrosilicio, dehasta 1,00%. En el caso de piezas gruesas, con ms de 50 mm de espesor, hayriesgo de flotacin de carbono graftico, por lo que el carbono equivalente debe sermenor que 4,3, las adiciones de silicio en forma de FeSi pueden mantenerse entre0,25 y 0,30; en este caso resulta ventajoso el empleo de Inoculoy,Desvanecimiento de la inoculacinEn la fundicin nodular el efecto de desvanecimiento del efecto inoculantes se dade la misma forma que en la fundicin gris. El perodo efectivo de tiempo suele serde 10 a 15 minutos en el caso de una inoculacin con ferrosilicio a secas. Si seusa Inoculoy, la duracin es mayor.Si las piezas son ligeras (menos de 10 mm de espesor) el desvanecimiento sedar a mayor velocidad. Tambin influye el carbono equivalente: Una fundicin de3,4% de carbono y 1,8% de silicio, que presenta consiguientemente bajo podergrafitizante, ser ms sensible al tiempo de mantenimiento que otra de 3,8% decarbono y 2,5% de silicio con mayor poder grafitizante. Otro factor a considerar esla temperatura, de manera que el efecto inoculador se desvanece tanto msrpido, cuanto mayor es la temperatura de la fundicin lquida.Por otra parte, si en moldes de arena en verde se cuelan piezas que requieren unestrecho control estructural en bruto de colada, deben colarse cuas de temple aintervalos regulares para asegurarse que la fundicin nodular permaneceeficientemente inoculada, desde el primer molde colado hasta el ltimo.

CALIDAD DE LA FUNDICIN NODULAR

Como en todos los procesos de fabricacin, la obtencin de piezas correctas tienedos aspectos en orden cronolgico.El primero es las normas a cumplir y precauciones a seguir para que las piezasfabricadas estn libres de defectos y de acuerdo con las especificaciones delcliente. El segundo es la verificacin a posteriori de que esas piezas han salido detaller con la calidad y caractersticas prescritas.Dicho en otros trminos, habr un control de calidad preventivo y otro de salida.


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En la figura 111 se presenta el conjunto de operaciones de control de las piezasde nodular.Los programas de control de calidad en las fundiciones que fabrican nodulardeben estar cuidadosamente planificados, documentados y seguidos si sepretende garantizar una calidad constante en las piezas. La fabricacin de estematerial no es un proceso autocontrolado en el que los sistemas de control tenganun simple valor marginal. Entre otros, aparecen como ms importantes lossiguientes:Inspeccin de materias primas empleadas en el proceso.Control de carga del horno.Composicin del hierro base.

Mantenimiento de temperatura constante del hierro base.Pesada del metal antes del tratamiento.Pesada de nodulizantes e inoculantes.Microexamen de muestras despus de cada tratamiento.Anlisis qumico de la fundicin nodular.Prescripciones de resistencia a la traccin.Ensayos de dureza de las piezas.Inspeccin visual de las piezas coladas.


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Ensayos especiales de control.Determinacin eutectomtrica de nodularidad.

A continuacin se revisan algunos de estos controles:Inspeccin de materias primas:Deben establecerse normas o especificaciones bien definidas para todos los

materiales empleados en la fabricacin del nodular. Intentar obtener una chatarrade acero de la composicin ms constante posible. En caso de fabricacin de grisy nodular en la misma fundicin, los retornos de los respectivos materiales debenclasificarse cuidadosamente. Finalmente, hay que exigir a los proveedores dealeaciones de tratamiento, informacin exacta sobre composicin y granulometrade ellas.Carga fra de los hornos:Deben pesarse todas las cargas del horno previstas para la obtencin de unacomposicin determinada del hierro base, a tratar en funcin, a su vez, de lacalidad nodular a obtener.Composicin del hierro base:La composicin de la fundicin lquida que recibir el tratamiento de nodulizacinrequiere un control muy cuidadoso y rpido de los contenidos de carbono, silicio yazufre, a fin de predeterminar las adiciones de nodulizantes e inoculantes.Por ejemplo, el contenido de azufre es de importancia primordial para prever lacantidad de magnesio necesaria para el tratamiento nodulizador. Junto con elcarbono puede analizarse con bastante velocidad mediante mtodos decombustin (Strhllein, Leco). A su vez, la introduccin del carbono en losvalores de temperaturas crticas mostradas por ensayos de curvas de enfriamientopermiten conocer el silicio. Aparte de estos ensayos, la gran mayora de lasempresas que fabrican fundicin nodular, cuentan con espectrmetros de emisinque hacen posible la determinacin rpida de una larga lista de elementos.Si los resultados del anlisis qumico se emplean como base de clculo para lacomposicin de la carga fra del horno, hay que apoyarse en tendencias y no envalores instantneos.Si se aprecia un cambio en la tendencia o en varios resultados analticos esllegado el momento de efectuar correcciones en la composicin de la carga delhorno.Mantenimiento de temperatura constante del hierro base:Hay que asegurar constancia de temperaturas de tratamiento nodulizador de lasfundiciones lquidas si se desea, por ejemplo, mantener constantes lasrecuperaciones de magnesio y las prescripciones de aleaciones de tratamiento.Una de las causas principales de bajas recuperaciones de magnesio es latemperatura de tratamiento elevada. Sin embargo, bajas temperaturas detratamiento originarn recuperaciones excesivas de magnesio que, a su vez,redundarn en la formacin de carburos, pinholes,dross y piezas defectuosaspor falta de llenado.Por estas razones, es absolutamente preciso mantener las temperaturas dellquido base dentro del intervalo de valores especificado. En el caso de fusinelctrica el control de temperatura puede hacerse por pirometra de inmersin encada colada. Cuando se funde en cubilotes pueden pirometrarse pticamente


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todas y cada una de las cucharas, haciendo un control peridico aleatorio porinmersin.Pesada de la fundicin lquida base:Muchos rechazos en piezas de nodular se producen por tener cantidadesinadecuadas de hierro base antes del tratamiento.

Por ello es imprescindible pesar el caldo de la cuchara si se quieren evitarsorpresas costosas y, a veces, desastrosas.Pesada de todas las aleaciones e inoculantes:Todos los productos de adicin empleados en la fabricacin de nodular han depesarse previamente. La sustitucin del control de pesada por la dosificacinvolumtrica dar lugar invariablemente a prdida de control de proceso y, porconsiguiente, a mayores porcentajes de rechazos.Microexamen de muestras despus de cada tratamiento:La fractura de una probeta de temple enfriada en agua da idea, para una personaexperimentada, del grado de modularidad obtenido. Antes de colar la fundicinnodulizada debe hacerse un microexamen rpido, en sitio cercano a la zona detratamiento, para determinar la forma del grafito. Adicionalmente, del ltimo metalcolado debe tomarse una muestra normalizada para verificar que el grafito anmantiene su forma esferoidal. Esta muestra se cuela en el molde A.F.S.,elaborado en arena aglomerada con resina (arena de machos) visto en la figura112.


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Conviene hacer algunas sugerencias y puntualizaciones:Para efectos de control de calidad on line las probetas no necesitan ser pulidashasta el acabado que se precisa en la obtencin de microfotografas. As, elequipo para pulido consiste simplemente en una esmeriladora pequea de bancocon una rueda basta y otra fina, o una pulidora de banda y un pulidor de disco con

dos cabezas pulidoras y control de velocidad. Cada cabeza o plato debe estarequipado con dos papeles de pulido, que normalmente son de los nmeros 0, 00,000 y 600. El pulido comienza con esmerilado y papel del 0 y contina hasta llegaral 600.No se precisa llegar a mayor grado de pulido porque normalmente la muestra sevisiona con pocos aumentos. Cuando las micro-muestras no se separan con unarueda de corte refrigerada por agua la superficie basta debe amolarse, hastaquedar plana y lisa, con una esmeriladora o una lijadora de banda.Se recomienda esta prctica para disminuir el tiempo de pulido y alargar laduracin de los papeles de lija.En cuanto a microscopa, para control rpido de proceso puede bastar con unmicroscopio metalogrfico barato.ste puede estar equipado con una lente que tenga buena resolucin entre 50 y100 dimetros, aumento ms que suficiente para ver si los ndulos de grafitotienen forma correcta y no aparece grafito laminar.Para este examen rpido se emplea la muestra colada en el molde A.F.S. visto enla figura 112 citada anteriormente.La operacin dura dos o tres minutos y debe hacerse, siempre que sea posible,antes de colar las piezas.El mtodo a seguir es el siguiente:a. Colar la muestra a partir de caldo nodulizado e inoculado.b. Una vez solidificada la muestra enfriarla suavemente en agua.c. Separar la muestra por fractura o corte.d. Esmerilar basto hasta superficie plana.e. Pulir progresivamente la muestra en el orden previsto.f. Examinar al microscopio para controlar el grafito.

Anlisis qumico de la fundicin nodular:Debe realizarse un anlisis qumico completo de muestras seleccionadas de laproduccin de cada da, as como de lotes cuyo tratamiento no haya sidototalmente satisfactorio. Puede ser til un control continuo del magnesio encombinacin con el examen microscpico de la forma del grafito. Los elementosms importantes (en lo que tiene que ver con su influencia sobre las propiedadesdel nodular) son carbono, silicio, manganeso, azufre, fsforo, nquel, cobre, cromoy molibdeno.Si el anlisis se realiza, como es normal, por espectrometra de emisin, lamuestra debe estar templada. Para ello hay que colar una probeta de espesordelgado en un molde metlico que promueva gran velocidad de enfriamiento.Suele ser una probeta en forma de disco de unos 40 mm de dimetro por 10 mmde espesor, colada en un molde, con separacin plana, elaborado en cobre con un5% de cromo. Esta aleacin presenta buena conductividad trmica (y consiguienteefecto templante) manteniendo resistencia mecnica suficiente.Resistencia a la traccin:


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Las muestras de ensayo se mecanizan a partir de bloques en Y o quilla, coladosen arena aglomerada (arena de machos), segn los diseos presentados en lafigura 113.

En la etapa inicial de implantacin en taller de la fabricacin del nodular esconveniente realizar ensayos de traccin con mucha frecuencia a fin de establecerprcticas de rutina y relacionar las propiedades mecnicas con la microestructura.Deben colarse muestras de todas y cada una de las cucharas y apartarlas por sifueran necesarias, incluso en el caso de que se efectuara anlisis metalogrficoen lugar de ensayos mecnicos.En el caso de que las piezas hayan de sufrir tratamiento trmico, los bloques-quillaacompaarn a aqullas en el tratamiento. Si las piezas se van a utilizar en estadobruto de colada, la relacin de propiedades de la pieza y su barreta de ensayo

depende de la relacin de velocidades de enfriamiento de ambos elementos.Puede ser conveniente mecanizar probetas a partir de la propia pieza paraconocer la diferencia entre stas y las obtenidas de la quilla.Las dimensiones de la probeta normalizada para ensayo de resistencia se dan enla figura 114.


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En piezas de seccin delgada y gran velocidad de enfriamiento, y en comparacincon muestras obtenidas de bloques-quilla, las propiedades de traccin, dureza ytendencia a la formacin de carburos aumentan, mientras que las de ductilidad ytenacidad disminuyen. Sin embargo, cuando se desea, pueden colarse muestrasespeciales para simular las propiedades que se daran en zonas especficas de laspiezas coladas.

Ensayo de dureza de las piezas:Debe ensayarse la dureza de las piezas de forma aleatoria en puntos especficos.Los valores de dureza deben caer dentro del intervalo especificado. Puedenrelacionarse con los de resistencia a la traccin mediante el empleo del factor K. Elclculo de la relacin entre la resistencia a la traccin y la dureza Brinell es unaforma de expresar la calidad de una fundicin nodular:

Resistencia a la traccinK =

Dureza BrinellPor ejemplo, una fundicin nodular de buena calidad, en bruto de colada o

recocida, que tiene una resistencia a traccin de 60 kg/mm2 (~ 600 Mpa) y 200unidades de dureza Brinell, presentar una factor K de calidad de 600 / 200 = 3,valor que ser mayor en fundiciones normalizadas. Las desviaciones de estosvalores pueden ser debidas a diferentes causas. Entre ellas estn la aparicin decarburos, grafito vermicular, grafito laminar, flotacin de carbono, probetas deensayo defectuosas y resultados incorrectos de las lecturas de resistencia a latraccin y dureza Brinell.Inspeccin visual de piezas:Deben inspeccionarse visualmente las piezas para detectar grietas, arenametalizada, uniones fras, defectos de contraccin, sopladuras, etc. Esaconsejable fijarse en la fractura cuando se desmocha el sistema de colada para

asegurarse que es gris.Equipos especiales de control:Actualmente, al ser cada vez ms estrictas y sofisticadas las aplicaciones de laspiezas de fundicin con grafito esferoidal tambin son ms duras las exigencias decalidad; esto ha motivado la utilizacin de equipos especiales.

As, estn rayos X y gammagrafa para deteccin de defectos internos, yMagnaflux y Magnaflow para localizar defectos superficiales en piezas. El equipode inspeccin snica y de ultrasonidos permite determinar el porcentaje de grafito


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nodular existente en las piezas y la posible presencia de defectos internos. Esteequipo de control puede automatizarse y adaptarse a lneas de alta produccin.Determinacin eutectomtrica del grado de nodularidad:La interpretacin de las curvas del enfriamiento hasta solidificacin total de unafundicin aporta datos bastante fiables sobre el grado de nodularidad de la misma.

Las fundiciones hipereutcticas tratadas con magnesio presentan una joroba orepunte en la detencin eutctica de la curva de enfriamiento. Esta joroba vasiendo menos pronunciada a medida que declina el carcter nodular del grafito(figura 115).

Este procedimiento de control introduce una dificultad general derivada del hechode que los mtodos prcticos de nodulizacin e inoculacin varan de un taller aotro. Por ello, se necesita tener una serie de curvas de controlde enfriamiento para cada fbrica y mtodo de trabajo.En la actualidad, esta tcnica de control se ha puesto a puntoy optimizado, de manera que existen moldes y aparatos dediversas marcas que permiten determinar la nodularidad conrapidez y seguridad (Leeds&Northrup, Electronite..).

7.3. DEFECTOS EN PIEZAS MOLDEADASAdems de los defectos comunes a las fundiciones dehierro, el nodular es susceptible de presentar otros especficos.En algunos casos, el origen de ellos no est claroy hay opiniones contradictorias. Cuando se tratan lascausas de los defectos en fundicin nodular deben estudiarsetodas las ramificaciones y circunstancias que rodeanlas prcticas de tratamiento del lquido, sistemas de


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colada y proceso de moldeo. A continuacin se revisanlas causas y remedios de algunos.7.3.1. Flotacin de carbonoCuando se supera el lmite de solubilidad del carbono en lafundicin lquida, los ndulos de grafito en exceso flotan

hasta la parte ms alta de la pieza lquida en solidificacin.Esta circunstancia da lugar a la fractura negra de las piezas,en la cual aparece un contenido de carbono de 5,0 a6,0%, lo cual provoca una prdida de ms del 50% de lascaractersticas mecnicas de la pieza obtenida, disminucincuya cuanta aumenta con el exceso de carbono presente.Hay tres factores especficos que van asociados a la aparicinde este defecto en las piezas de fundicin nodular:Carbono equivalente.Espesor de la pieza.Velocidad de solidificacin.La fundicin nodular es bsicamente una aleacin eutctica.Cuando se encuentra en condiciones de equilibrio,con un 4,3 de carbono equivalente, se forma un ndulo encada clula eutctica que da lugar a una distribucin mso menos homognea de los ndulos de grafito presentes.Si el material considerado es una fundicin hipereutctica,cuyo carbono equivalente (CE = CT + 0,31 Si) superael 4,3 del punto de eutexia, el nmero de ndulos de grafitoformados excede el de clulas eutcticas disponibles.En estas condiciones, y permaneciendo lquida la fundicinun tiempo suficiente, los ndulos de grafito en excesoascienden hasta la parte ms alta de la pieza y flotanen su superficie. Su migracin ascendente puede quedarfrenada por los machos internos y quedar retenidos, portanto, en la zona solidificada adyacente a la cara inferiorde los mismos. En el caso de piezas delgadas (5 a 10 mm),que solidifican rpidamente, puede tolerarse fundicinhipereutctica porque los esferoides de grafito no tienentiempo de flotar hasta la superficie superior. Es notorioque estas composiciones coinciden con las necesariaspara evitar formacin de carburos en piezas delgadas.En el intervalo medio de espesores (10 a 35 mm) es muyprobable la flotacin una vez se supere el 4,5 de carbonoequivalente. Piezas gruesas (ms de 100 mm de espesor)que enfran muy lentamente no deben superar el 4,3. En lastablas 1 y 2, y en las figuras 11, 18, 19 y 20 se dieron ideassobre composiciones correctas de fundicin nodular.7.3.2. Grafito estallado:Es uno de los tipos ms comunes de grafito defectuoso ysu origen es aproximadamente el mismo que el de la flotacinvista en el epgrafe anterior: Valores de CE superiores


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a 4,5, sobretratamiento con magnesio en presenciade un exceso del 0,02% de tierras raras y tiempo largo desolidificacin debido a espesor de piezas. En ciertos casosel grafito estallado es el precursor del grafito rechoncho( chunky ) en piezas de gran seccin.

7.3.3. CarburosEste defecto de fundicin abarca una amplia variedad decondiciones que van desde la presencia de unos pocoscarburos dispersos en la matriz, hasta la ausencia total degrafito en una matriz de carburos. Algunas piezas puedenrecuperarse por tratamiento trmico. Medidas a tomarpara evitar o minimizar la presencia de carburos enpiezas de nodular pueden ser:Ajustar la composicin qumica.Modificar el proceso de inoculacin.Actuar sobre la operacin de fusin.Analizar presencia de estabilizadores de carburos.Hay una forma de carburos que se llama de centerline o temple inverso. Este defecto se da en piezas que solidificanrpidamente y siempre en la zona de ltima solidificacin. Enla misma pieza aparecen carburos en otras zonas debido aenfriamiento rpido e inoculacin insuficiente. El estudio pormicroanlisis de estas zonas ha mostrado que tienen cantidadesrelativamente altas de elementos residuales como cromo,molibdeno, vanadio, nquel, manganeso y cobre.Un remedio puede ser la ausencia total, en la carga fradel horno, de chatarras de compra no controladas y quepodran contener esos elementos; en casos extremospuede recurrirse a cargas compuestas exclusivamentepor Sorelmetal y retornos propios. Otra medida a tomarpuede ser la inoculacin en el molde, disponiendo unapequea cantidad (2 a 5 g) de ferrosilicio del 75% en labase de la caa del bebedero o intercalndola en el canaldistribuidor entre bebedero y ataques.Pueden aparecer tambin carburos en borde de grano en piezasmuy gruesas con CE relativamente bajo y contenidos al tos de Mn, Cr y Mo. Estoselementos, estabilizadores de carburos,tienden a segregarse en forma de retculo de carburos.El problema puede minimizarse introduciendo 1 a 2% de nquelo, por supuesto, impidiendo la presencia de los estabilizadoresde carburos. La inoculacin en el molde ayuda tambina anular la formacin de este tipo de carburos.7.3.4. Grafito laminarLa presencia, incluso en proporcin pequea, de grafito laminarpuede deteriorar el conjunto de las caractersticasmecnicas de las piezas de fundicin con grafito esferoidalhasta el punto de hacerlas defectuosas. Grafitos laminares


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o vermiculares van asociados a un magnesio residual (retenido)insuficiente, normalmente menor del 0,03%, o por lapresencia de elementos traza perjudiciales como Bi, Pb,

As, Sb, Sn, etc., especialmente en piezas de gran seccin.A veces se produce reaccin de la fundicin lquida con

materiales del molde ricos en azufre (polvo de hulla, algunosaglomerantes) o de carcter cido (slice), dando porresultado la disminucin de magnesio residual citada anteriormente.Posibles medidas correctoras seran, entre otras:Revisar la metodologa de fusin y pretratamiento, eliminandode la carga fra las chatarras y retornos aportadoresde elementos perjudiciales, y desulfurando lafundicin si procede de cubilote.Vigilar el equipo y la operacin en el tratamiento nodulizadoraumentando, si fuera necesario, la cantidadde aleaciones de magnesio a fin de llegar a un valormayor del magnesio residual.Prever la presencia adicional de tierras raras en el nodulizantepara anular la accin perjudicial de elementostraza posiblemente presentes en el caldo.Investigar la presencia de azufre excesivo en los materialesde molde y machos.Otra forma indeseable de grafito es el que se llamachunky o rechoncho, que influye desfavorablementesobre las caractersticas mecnicas, especialmente ductilidady resistencia al impacto. Este defecto va asociado siemprea zonas gruesas de piezas pesadas de solidificacinlenta y es visible a simple vista en corte reciente con sierrade estas zonas gruesas. El mecanismo causante de la formacinde grafito chunky no se conoce con fiabilidad, aunqueparece que adems de la velocidad de solidificacin influyetambin la presencia de elementos subversivos.Los ensayos llevan a la conclusin de que este grafito se encuentraen los centros trmicos de las piezas. Especialmenteen aqullas en las que la solidificacin se da a muy baja velocidady con un gradiente trmico muy escaso durante lamisma. En consecuencia, un posible remedio a estos problemassera la colocacin de enfriadores externos incrustadosen las paredes de la cavidad de fusin del molde, a finde trasladar el centro trmico de la pieza hacia la superficie,con el consiguiente aumento de ese gradiente trmico.Tambin parece haber influencia deletrea de la sobre-nucleacin,por lo que una medida a tomar sera disminuir lacantidad de ndulos de la fundicin obtenida. Por ello,medidas a tomar seran:Sobrecalentar el hierro base por encima de 1.510 C.Mantener el hierro base largo tiempo a ms de 1.480 C.


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Inocular con cantidades mnimas (0,10 a 0,25%) de FeSi.Adems de esto, el contenido de silicio debe mantenerseentre 1,00 y 2,00% lo que, an con enfriamiento lentode piezas gruesas puede dar lugar a formacin de carburos.Este problema se minimiza disminuyendo el contenido

de manganeso en el hierro base.Los anlisis puntuales han mostrado que en las zonas enque se presenta grafito chunky el contenido de magnesioes muy bajo, debido al desvanecimiento originado a suvez por el largo tiempo de solidificacin. Esto se corregiraaumentando la adicin de magnesio. Se ha visto tambinque este defecto va asociado a la presencia de cantidadesrelativamente altas de cerio y otras tierras raras segregadasen las ltimas zonas que solidifican en piezas masivas.Este problema se corrige mediante adiciones de 0,001%de antimonio o 0,020% de estao.7.3.5. Inclusiones por escoriaLos productos de la combinacin del magnesio con oxgenoy azufre, adems de la subsiguiente reaccin con los refractariossilicatados de la cuchara, o los residuos procedentesde tratamientos anteriores, son las bases para la formacinde escoria (dross). Como el magnesio est siendo continuamenterechazado por el caldo y se oxida en su superficie,el dross es probablemente el defecto ms frecuentementeencontrado en piezas de nodular, especialmente en piezasgruesas y fundiciones claramente hipereutcticas.El dross se manifiesta en forma de grieta. Aparece un pliegueo unin fra causado por una pelcula delgada de escoria;en casos extremos se hacen visibles las arrugas en la superficiede las piezas en un defecto que se denomina comopiel de elefante. Puede decirse que, en mayor o menorgrado, todas las fundiciones nodulares obtenidas por introduccinde nodulizante en el caldo presentan grietas ouniones fras en las superficies superiores de las piezas queaparecen al efectuar inspeccin por Magnaflux o Magnaflow.Estas inclusiones alargadas pueden causar serios problemasen piezas que han de trabajar a elevadas presioneshidrulicas, vlvulas de control y bombas que pueden fallardebido a cavitacin o erosin.Es indudable que los defectos relacionados con escoriadross pueden aparecer en grados y formas diversos. Hayvarias causas que pueden coadyuvar a este defecto:Altos valores de magnesio residual.Colada excesivamente lenta y fra.Sistema de colada que provoca flujo turbulento.Contenido de silicio superior a 2,70%.Fundiciones muy hipereutcticas.


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Mantenimiento de la cuchara con fuerte inclinacin.Medidas a tomar para evitar estos defectos pueden ser:Reducir drsticamente la cantidad de magnesio nodulizantesustituyndolo por ferrosilicio al 10% de cerio,siliciuros de tierras raras o mischmetal.

Introducir fundentes de criolita (Na2 Al F6) y fluorurosdico en las cucharas en proporciones de 0,5 a 1,0%.Las cucharas deben ser espumadas completamente antesque el caldo entre en el molde.Emplear sistemas de colada que garanticen un flujotranquilo del metal en los moldes.El empleo de fundentes de cobertura basados en sales demagnesio y espato flor clcico ayudar algo a retrasar lasreacciones perniciosas, pero a costa del riesgo de introducirms inclusiones no metlicas. El espato flor mejora larecuperacin del magnesio. Jams se resaltar suficientementela importancia de la limpieza de las cucharas, especialmentecuando se precisa efectuar un cierto nmerode tratamientos consecutivos con magnesio. Las caractersticasesenciales de la tcnica reductora del riesgo de espuma,son: limpieza del revestimiento refractario de la cuchara,mnimo contenido inicial de azufre (menor que un0,02% antes del tratamiento), menor adicin posible demagnesio y en consonancia con el contenido residual previstopara el final de la colada.La adopcin de materiales bsicos o neutros para el revestimientorefractario de la cuchara, es una buena ayuda paraminimizar tanto los problemas de espuma como los de desvanecimientodel magnesio. La utilizacin de cucharas siderrgicasde buza-tapn (figuras 116 y 117), sistema no muynormal en taller de fundicin de hierro (pese a que la fundicinnodular se parece en muchos aspectos al acero moldeado)es muy ventajosa, hasta el extremo de que puede hacerdesaparecer los problemas de espuma y desvanecimiento.En la actualidad este artificio de cierre por el fondo con tapnha sido sustituido por el de corredera (figura 118) accionadopor volante o por un cilindro neumtico o hidrulico,mtodo que evita la necesidad de tener permanentementesumergido en el caldo el tapn y su sistema de accionamiento.

An ms modernas son las buzas tipo revlver, queconsisten en un disco cermico refractario que presenta a lasalida del caldo alternativamente orificios y zonas ciegas,tambin con accionamiento mecanizado.Con cualquiera de los tipos de cuchara de descarga por elfondo hay un punto muy sencillo, pero importante, a vigilarcon el fin de asegurar un uso largo repetido sin cambiar elcierre o vlvula: Es conveniente asegurarse de que, por lo


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menos, queden 25 - 30 mm de altura de caldo en el fondode la cuchara cuando se vierte a la ltima cuchara de colada,antes de volver a llenar para un nuevo tratamiento.7.3.6. Microporos (pinholes)La aparicin de pinholes en piezas de fundicin gris y

nodular ha sido durante mucho tiempo una fuente significativa de rechazos enfundiciones comerciales, rechazoscuya cuanta en nodular es un 50% mayor que en laminar.Los pinholes se clasifican normalmente en funcindel gas que se supone causante: magnesio vapor,hidrgeno, nitrgeno, monxido de carbono y la accinsinrgica de hidrgeno y nitrgeno.Temperaturas de colada inferiores a 1340 C aumentandrsticamente la incidencia de los pinholes en las piezasnodulares. Las zonas que rodean estos pinholes suelen serperlticas y con trazas de carburos en la matriz. Este tipode pinhole puede estar asociado con colada de metal froe imposibilidad de que los gases y vapor de magnesio atrapadosescapen de la fundicin. La aparicin de estos defectospuede minimizarse aumentando la temperatura decolada del caldo y aadiendo hasta un 0,02% de tierrasraras para aumentar la fluidez de la fundicin despus deltratamiento. Este aumento de fluidez ayuda a que los gasesescapen con facilidad del bao de fundicin.Hidrgeno y nitrgeno no suelen incorporarse al hierrobase durante la fusin pero, si as ocurriera, el hervido provocadopor el tratamiento con magnesio los elimina delbao. Las fundiciones nodulares tratadas con magnesiocontienen aproximadamente 2 ppm (0,0002%) de hidrgenoy hasta 80 ppm (0,0080%) de nitrgeno. Cuando estecaldo se cuela en un molde de arena sinttica en verdeaglutinada con un 5% de bentonita y 3,0% de humedad laprobabilidad de aparicin de pinhole es muy pequea. Sinembargo, un aumento del contenido de humedad hasta llegara ser 4 a 6% dar lugar a fuerte tendencia al desarrollode este defecto. Ha de tenerse en cuenta que esta invasinde hidrgeno no slo puede provenir de humedad de laarena, ya que un refractario de horno o cuchara insuficientementeseco puede ser tambin causa de los defectos.La presencia de cantidades crecientes de elementosfuertemente oxidables, como magnesio y aluminio,puede dar lugar a pinhole por dos razones principales.En primer lugar, aumenta drsticamente la reaccin generadorade hidrgeno. Como estos elementos son activospromotores de burbujas de gas, da lugar a un aumentode la severidad del pinhole por reaccin de elloscon el vapor de agua aportado por el molde:


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Mg + H2O ? MgO + H22Al + 3H2O ? Al2O3 + 3H2Hay que tener presente que el aluminio es el ms potentepromotor del hidrgeno, por lo que hay que poner mximointers en evitar que los materiales de la carga fra

contengan cantidades sustanciales de este metal. Los xidosestables que se originan en estas reacciones, as comola presencia de partculas de silicato de magnesio, actancomo centros nucleadores de burbujas de gas con lo quese aumenta la severidad del pinhole de hidrgeno. La influenciadel aluminio sobre el pinhole en moldes de arenahmeda llega a ser muy severa para contenidos de 0,045a 0,060%. Cuando el aluminio est presente en cantidadesque se aproximan al 0,010%, la severidad es mnima.Los pinholes de hidrgeno pueden ser de forma esfrica uovoide y normalmente aparecen inmediatamente debajode la piel de la pieza. Como regla general, estos poros dehidrgeno asociados a arena hmeda tienen un interiorliso recubierto de una pelcula cristalina de grafito. En lamicroestructura de la zona aledaa al poro suele haber unanillo de ferrita que contiene grafito vermicular y laminar.Medidas a tomar para minimizar la formacin de porosde hidrgeno son:Aumentar el contenido de carbn en la arena de moldeohasta ser del 6 al 8%.Evitar exposicin del caldo a la humedad despus deltratamiento con Mg.Emplear moldes secos.Colar a temperatura ms altas y ventear el molde paraque escapen los gases.Adicionar de 4 a 10 g de teluro por cada 100 kg demetal tratado.No dejar que el contenido de aluminio supere el0,040% en el metal tratado.Las adiciones de metales de las tierras raras reaccionantambin con hidrgeno y nitrgeno minimizandola formacin de pinhole.Eliminar de la arena de moldeo, si es posible, los materialesgeneradores de hidrgeno como al aglutinantecereal y la harina o serrn de madera.La otra fuente importante de porosidad de gas en las piezasde nodular es el nitrgeno transmitido por los aglomerantesde machos y moldes, algunos de los cuales son:Resina de fenolformaldehido utilizada para machosde cscara (Shell).Resina furnica empleada en machos de caja caliente(Hot Box).


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Resina furnica para moldes y machos de fraguado alaire (Air Set).Los poros de nitrgeno en piezas de nodular tienen formaesfrica o irregular y su interior suele ser color gris mate.Se encuentran en la zona de la pieza adyacente al molde

o macho con aglomerante nitrogenado cuando el contenidode nitrgeno en la fundicin alcanza 130 ppm(0,0130%). Como puede suponerse, la forma ms efectivade eliminarlos es empleando en moldes y machos aglomeranteslibres de nitrgeno. Otra medida puede ser aadir0,02% de tierras raras o 0,10% de aluminio, aunque hade tenerse presente que la introduccin de aluminiotiende a deteriorar la forma de los esferoides de grafito.Otra fuente de poros son las burbujas de monxido decarbono formadas por la reduccin de escorias de silicatoy xido de magnesio por el carbono aportado por lapropia fundicin lquida o por el materal carbonceopresente en la arena aglutinada de moldeo:Si O2 + C ? Si + COEste tipo de poro esfrico aparece usualmente en isletas enla posicin de colada ms elevada de la pieza, es decir, lazona en la que se acumulan las inclusiones de escoria. Lacausa de estos poros suele ser un sobre-tratamiento conaleaciones de ferrosiliciomagnesio obligado por partir deun hierro base con elevados contenidos de azufre u xido.Para disminuir o eliminar estos pinholes es favorable laadicin de 4 a 10 g de teluro por cada 100 kg de caldo.7.3.7. ContraccinDurante los ltimos momentos de la solidificacin se producela contraccin esponjosa o interdendrtica que puedecompensarse o eliminarse si a la vez se forman cantidadesadecuadas de grafito. Esto es muy importante en piezas quetienen zonas a las que es difcil alimentar eficientemente.En la figura 11 vista anteriormente se evidencia la importanciade mantener relaciones mutuas correctas de carbonoy silicio que favorezcan la formacin de suficientecantidad de grafito. La recta cuya ecuacin es% Silicio% Carbono + = 3,907limita el intervalo de composicin qumica que producirapiezas sanas. Evidentemente, esta frmula se desva de ladel carbono equivalente en el rango superior de silicio, yaque la influencia de este elemento es la sptima parte dela del carbono en lugar de un tercio que figura en el clculodel carbono equivalente CE. Esta circunstancia esmuy importante en la obtencin de piezas nodulares en


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moldes de arena seca o atacados a mano sin mazarotaje.La contraccin aumenta cuando disminuye la temperatura decolada. Es ms pronunciada en piezas de espesor pequeo ymedio. Depende de la relacin entre superficie y volumen(mdulo de enfriamiento), relacin que determina la velocidad

de enfriamiento del metal una vez lleno el molde.Cuando el descenso de la temperatura del metal lleva a stea menos de 1.260 C comienza la precipitacin del grafito. Sila cavidad de molde an no se haba llenado totalmente, sedesperdicia el efecto favorable del aumento de volumen provocadopor la precipitacin del grafito, lo cual genera contraccinexcesiva. Por otra parte, un enfriamiento excesivooriginado por llenado muy lento o sistemas de colada no favorablestambin puede dar lugar a contraccin.Es muy importante que la cavidad de molde est llena antesque la temperatura del lquido descienda a 1.260 C;por otra parte, la distribucin del metal ha de ser tal quehaya gradiente de temperatura lo ms uniforme posible.La falta de constancia de resultados de un da a otro (o, incluso,de una cuchara a otra) puede ser indicio de que latemperatura de colada est demasiado prxima a la lneadivisoria y que, en consecuencia, debe elevarse.Puede ocurrir que haya que disponer mazarotaje o enfriadoresen zonas aisladas o masivas pues de lo contrario stasactuaran como alimentadores de las zonas ms delgadas,especialmente en piezas moldeadas en arena aglutinada yen verde. Los problemas de contraccin se eliminaran tambinaumentando la resistencia en caliente de la arena demoldeo y la dureza de atacado del molde, as como colandoel caldo con ms velocidad y a ms de 1.260 C.7.3.8. Sobre-tratamiento con magnesioUn exceso de magnesio en el tratamiento nodulizador,que resulte en la obtencin de fundiciones nodularescon ms de 0,060% de magnesio residual, acaba siendouna de las ms acusadas y peor entendidas causas depiezas defectuosas. El intervalo ideal de magnesio residuales de 0,035 a 0,045%, si bien hoy da se tiende allegar a valores an ms bajos que los comprendidos enese margen. Este sobre-tratamiento con aleaciones demagnesio puede dar lugar a problemas como:Magnesios residuales superiores a 0,050% favorecenla aparicin excesiva de escorias o dross de xido y silicatode magnesio. Por otro lado, pueden dar lugar aflotacin de carbono, defecto estudiado anteriormente.Contenidos del orden de 0,080% o superiores determinanla formacin de ndulos de grafito en forma decangrejo o espiga. Si el contenido de magnesio es


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an mayor aparecen zonas de grafito laminar con extremospuntiagudos.El magnesio aadido a la fundicin es un potente estabilizadorde carburos. Si el contenido supera el 0,06%suele ocurrir que se generen carburos que no pueden eliminarse

por inoculacin o tratamiento trmico posterior.Exceso de magnesio puede tambin dar lugar a formacionesde pinholes errneamente atribuidas a aluminiou otras causas.

FABRICACIÓN DE FUNDICIÓN NODULAR Chihuaque

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