• No se han encontrado resultados

Efecto de la temperatura de recocido sobre la resistencia al impacto y dureza de una fundición nodular astm a536 en la obtención de una fundición nodular ferrítica

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2020

Share "Efecto de la temperatura de recocido sobre la resistencia al impacto y dureza de una fundición nodular astm a536 en la obtención de una fundición nodular ferrítica"

Copied!
72
0
0

Texto completo

(1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE

INGENIERÍA METALÚRGICA

EFECTO DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO SOBRE LA

RESISTENCIA AL IMPACTO Y DUREZA DE UNA FUNDICIÓN

NODULAR ASTM A536 EN LA OBTENCIÓN DE UNA FUNDICIÓN

NODULAR FERRÍTICA

TESIS

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO METALURGISTA

AUTORES:

Br. FABIÁN GUZMÁN, Tony Alexander.

Br. GUTIÉRREZ SALAS, Christian Marín.

ASESOR:

Dr. Ing. PURIZAGA FERNÁNDEZ, Ismael

(2)

DEDICATORIA

A mis padres, porque ellos son la

motivación de mi vida mi orgullo de ser lo que

seré.

Mi hermano, porque es la razón de

sentirme tan orgulloso de culminar una

de mis metas.

A mi asesor, por su tiempo, dedicación y

paciencia de esta tesis

(3)

DEDICATORIA

A mi esposa e hija, por ser la fuente de

motivación e inspiración para superarme cada

día.

A mis adorados padres y hermanas,

por sus consejos y aliento para poder

cumplir mis ideales.

A mis compañeros, quienes sin esperar

nada a cambio compartieron sus

conocimientos, alegrías y tristeza.

(4)

AGRADECIMIENTO

Expresamos el afecto, gratitud y agradecimiento a nuestro asesor de Tesis Dr.

Ismael Purizaga Fernández, por su bien admirada paciencia para asesorarnos en el

inicio, transcurso y término del presente trabajo de investigación. Asimismo, por

facilitarnos el acceso a las instalaciones y uso de los equipos del Laboratorio de

Metalurgia Física.

A los Practicantes del Laboratorio de Metalurgia Física, por su desinteresado

apoyo en las diferentes pruebas realizadas.

Y por último, un especial agradecimiento, a los profesores de la Escuela de

Ingeniería Metalúrgica por sus enseñanzas durante el transcurso de nuestra formación

universitaria.

(5)

RESÚMEN

En la presente investigación se estudió el efecto de la temperatura de recocido en

una fundición nodular ASTM A536 sobre la dureza, resistencia al impacto y

microestructura en la obtención de una fundición nodular ferrítica. Para tal propósito

se utilizó barras cuadradas de 15 mm x 15 mm x 200 mm de longitud suministrados

por Fundición Laminar SAC – Lima, de donde se maquinaron las probetas para el

ensayo de dureza según la norma ASTM E-140 y para el ensayo de impacto según

norma ASTM E23-98, los cuales fueron recocidos a las temperaturas de 800, 850, 900,

950 y 1000°C por un tiempo de 25 horas con enfriamiento lento dentro del horno.

Los resultados muestran que al incrementar la temperatura de recocido la dureza

disminuye desde 198.40 HB para suministro (25°C) hasta 114.80 HB para 1000°C de

temperatura de recocido, y la resistencia al impacto (J) aumenta según se incrementa

la temperatura de recocido desde 53.90 J para suministro (25°C) hasta 124.20 J para

1000°C. Esto debido a la descomposición de la austenita en ferrita que va aumentando

según se incrementa la temperatura de recocido, siendo la transformación completa o

total de la austenita en ferrita en las condiciones de estudio desde 900°C, a partir de la

cual se obtuvo una fundición nodular ferrítica y que los nódulos de grafito (Gn) son

estables a cualquier temperatura de recocido en estudio.

Se concluye que la temperatura de recocido afecta significativamente la dureza,

resistencia al impacto y microestructura, y que la temperatura mínima para la

obtención de una fundición nodular ferrítica en las condiciones de estudio es 900°C.

Los resultados obtenidos han sido contrastados con un análisis estadístico con un nivel

de confianza del 95%.

(6)

ABSTRACT

In the present investigation, the effect of the annealing temperature in a nodular

cast iron ASTM A536 on the hardness, impact resistance and microstructure in

obtaining a ferritic nodular cast iron was studied. For this purpose we used square bars

of 15 mm x 15 mm x 200 mm in length supplied by Fundición Laminar SAC - Lima,

where the specimens were machined for the hardness test according to the ASTM

E-140 standard and for the impact test according to ASTM E23-98, which were annealed

at temperatures of 800, 850, 900, 950 and 1000 ° C for a time of 25 hours with slow

cooling inside the oven.

The results show that when the annealing temperature is increased, the hardness

decreases from 198.40 HB for supply (25°C) to 114.80 HB for 1000°C annealing

temperature, and the impact resistance (J) increases as the temperature increases.

annealed from 53.90 J for supply (25°C) up to 124.20 J for 1000°C. This is due to the

decomposition of austenite in ferrite that increases as the annealing temperature

increases, being the total or total transformation of austenite in ferrite under the study

conditions from 900°C, from which a ferritic nodular cast iron and that the graphite

nodules (Gn) are stable at any annealing temperature under study.

It is concluded that the annealing temperature significantly affects the hardness,

impact resistance and microstructure, and that the minimum temperature for

obtaining a ferritic nodular cast iron in the study conditions is 900°C. The results

obtained have been contrasted with a statistical analysis with a confidence level of

95%.

(7)

ÍNDICE

Dedicatoria ... i

Agradecimiento ... iii

Resumen ... iv

Abstract ... v

Índice ... vi

Lista de tablas ... viii

Lista de figuras ... ix

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Realidad problemática ... 1

1.2 Antecedentes ... 4

1.3 Fundamento teórico ... 9

1.3.1Fundiciones ... 9

1.3.2Fundición nodular ... 10

1.3.3Clasificación de las fundiciones nodulares por el tipo de matriz ... 11

1.3.4Propiedades de las fundiciones nodulares ó dúctiles ... 13

1.3.5Tratamientos térmicos de las fundiciones nodulares ... 15

1.3.6Ensayo de resistencia al impacto ... 21

1.3.7Ensayo de dureza ... 22

1.4 Problema ... 24

1.5 Hipótesis ... 24

1.6 Objetivos ... 24

1.6.1Objetivos generales ... 24

(8)

CAPÍTULO II

MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Material de estudio ... 25

a. Composición química ... 25

b. Propiedades mecánicas ... 25

c. Características metalográficas ... 26

2.1.1. Muestra... 26

2.1.2. Equipos, instrumentos, materiales consumibles y reactivos ... 28

2.2. Métodos y técnicas ... 29

2.2.1. Modelo Experimental ... 29

2.2.2. Matriz de datos ... 30

2.3. Procedimiento experimental ... 31

CAPÍTULO III RESULTADOS 3.1.Resultados del ensayo de dureza ... 35

3.2.Resultados del ensayo de impacto ... 36

3.3.Resultados del análisis microestructural ... 37

CAPÍTULO IV DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4.1. Del ensayo de dureza ... 42

4.2. De la resistencia al impacto ... 43

(9)

CAPÍTULO V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. Conclusiones ... 46

5.2 .Recomendaciones ... 47

Referencias bibliográficas ... 48

APÉNDICE I

ANÁLISIS ESTADÍSTICO

I.1. Modelo estadístico ... 51

I.2. Análisis de varianza para el diseño de un solo factor ... 51

I.3. Análisis de residuos ... 55

APENDICE II

CALCULOS COMPLEMENTARIOS

II.1. Cálculo del carbón equivalente (CE) ... 57

II.2. Cálculo del porcentaje de fases de la fundición nodular ASTM A536 a temperatura

ambiente (25°C) ... 57

ANEXOS

Fotografías ... 59

LISTADO DE TABLAS

Tabla 2.1. Composición química de la fundición nodular ASTM A536 ... 25

Tabla 2.2. Propiedades mecánicas de la fundición nodular ASTM A536 ... 25

Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para análisis de los resultados ... 30

Tabla 2.4.Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor para determinar

(10)

Tabla 3.1. Resultados de dureza Brinell (HB) obtenidos en probetas de fundición

nodular ASTM A536 recocido a las diferentes temp. en estudio durante 25 hrs ... 35

Tabla 3.2. Resultados de resistencia al impacto (J) obtenidos en probetas de fundición

nodular ASTM A536 recocido a las diferentes temp. en estudio durante 25 hrs ... 36

Tabla I.1. Tabla de datos a calcular para el análisis de varianza de un solo factor ... 52

Tabla I.2. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) obtenidos en probetas

de fundición nodular ASTM A536 recocidos a las diferentes temperaturas de estudio

por 25 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) ... 53

Tabla I.3. Análisis de varianza de los resultados de resistencia al impacto (J) obtenidos

en probetas de fundición nodular ASTM A536 recocidos a las diferentes temperaturas

de estudio por 25 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) ... 54

LISTADO DE FIGURAS

Figura 1.1. Dibujos esquemáticos de las cinco tipos de fundiciones ... 10

Figura 1.2. Fundición nodular ferrítica perlítica grado 80-55-06 ... 11

Figura 1.3. Características mecánicas de las fundiciones con grafito esferoidal en

diferentes estados de tratamientos ... 14

Figura 1.4. Diagrama de transformación de enfriamiento continuo (TEC), mostrando los

tratamientos de recocido, normalizado y temple ... 18

Figura 1.5. Método Charpy para la prueba de impacto ... 22

Figura 1.6. Método de ensayo de dureza Brinell... 23

Figura 2.1. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 en estado de

suministro ... 26

Figura 2.2. Medidas y geometría de las barras de fundición nodular ASTM A536 para la

obtención de las probetas ... 26

(11)

Figura 2.4. Probetas para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140, y para el

análisis microestructural ... 27

Figura 2.5. Diagrama de bloques del procedimiento experimental ... 31

Figura 3.1. Efecto de la temperatura de recocido sobre la dureza (HB) en una fundición

nodular ASTM A536 ... 36

Figura 3.2. Efecto de la temperatura de recocido sobre la resistencia al impacto (J) en

una fundición nodular ASTM A536 ... 37

Figura 3.3. Fotomicrografía de la fundición nodular en estado suministro (fundido) .... 38

Figura 3.4. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 800°C por

25 horas con enfriamiento lento dentro del horno ... 39

Figura 3.5. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 850°C por

25 horas con enfriamiento lento dentro del horno ... 39

Figura 3.6. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 900°C por

25 horas con enfriamiento lento dentro del horno ... 40

Figura 3.7. . Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 950°C por

25 horas con enfriamiento lento dentro del horno ... 40

Figura 3.8. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 1000°C por

25 horas con enfriamiento lento dentro del horno ... 41

Figura I.1. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de dureza (HB)

en probetas de fundición nodular ASTM A536 recocidos a las diferentes temperaturas

de estudio por 25 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) ... 55

Figura I.2. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de resistencia

al impacto(J) en probetas de fundición nodular ASTM A536 recocidos a las diferentes

temperaturas de estudio por 25 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) ... 56

Figura II.1. Diagrama Hierro – Grafito. ... 57

Figura A.1. Barras cuadrada de 15 mm x 15 mm x 200 mm de fundición nodular ASTM

(12)

Figura A.2. Probetas para el ensayo de impacto Charpy, según norma ASTM E23-98 .. 59

Figura A.3. Probetas encapsuladas para el análisis metalográfico ... 59

Figura A.4. Microscopio Metalográfico Leica de 50 a 1000X para toma de fotomicrografías ... 59

Figura A.5. Horno eléctrico tipo mufla 5.5 Kw para el trat. térmico de recocido ... 60

Figura A.6. Durómetro universal digital TIME GROUP 187.5... 60

Figura A.7. Máquina de ensayo de impacto Heckert para método Charpy ... 60

(13)

CAPITULO I

INTRODUCCIÓN

1.1.Realidad problemática

Dentro de los materiales metálicos utilizados en la construcción metal – mecánica, la

fundición nodular ocupa una posición particularmente interesante, siendo un material

relativamente fácil de producir y de utilizar en la fabricación de piezas fundidas y

maquinadas.

La gran ventaja que trae en comparación con la fundición gris, son sus propiedades

mecánicas logradas a través de la nodulación del grafito, y que pueden ser variadas dentro

de un rango relativamente amplio, mediante un cambio estructural de la matriz. Se tiene un

material menos frágil, utilizable para la fabricación de piezas mecánicas en las cuales la

resistencia es un factor importante.

A nivel mundial, el hierro nodular contiene alrededor de 0.03 – 0.05% en peso de Mg. El

Mg provoca que las hojuelas de grafito se hagan globulares o nodulares, de tal forma que el

grafito se disperse por una matriz de ferrita y perlita en forma de esferas o nódulos. Los

nódulos de grafito no son afilados. La forma redondeada del grafito nodular reduce la

concentración de la tensión y, en consecuencia, el material es mucho más dúctil que el

(14)

piezas de bombas que requieren alta resistencia (aplicación de alta presión y alta

temperatura), útiles para aplicación industrial. (Kovacs B., 1991, p. 243 – 248)

Las fundiciones nodulares o esferoidales son producto de nuevas técnicas de colada que

comenzaron a aplicarse hace aproximadamente 40 años. Al presentar un producto fundido

pero a la vez tenaz se abrió notablemente su área de aplicación incursionando en campos en

que tradicionalmente solo podían participar los aceros fundidos o forjados. Este material, al

igual que una fundición gris, tiene la ventaja de poseer una excelente fluidez, aunque con un

costo mayor de fabricación que el hierro gris. Debido a esto es posible colar piezas de

reducido espesor, siempre que el flujo sea lineal calmado a la hora de llenar los moldes, esto

es imprescindible para evitar el endurecimiento de los bordes y la formación de carburos

(cementita) en las secciones delgadas. (Vélez M., 2005, p. 156 – 158)

Por su buena tenacidad la fundición nodular está siendo utilizado para la fabricación de

piezas que experimentan ciclos de fatiga, que por el tipo de estructura cristalográfica que

posee, inhibe el crecimiento y propagación de grieta, además posee una alta resistencia al

desgaste, como se requieren por ejemplo en cigüeñales, discos de freno, monoblock,

engranajes, masas, etc. (López J., 2000, p. 152)

La fundición nodular, fundición de grafito esferoidal o fundición dúctil, combina las

ventajas de hierro fundido con los del acero, debido a que en este tipo de fundición, el

(15)

esférica y una distribución mucho más uniforme que en la fundición gris, por esto las

propiedades corresponden a las de la matriz en una elevada resistencia y límite de

elasticidad, tenacidad, ductilidad y por lo tanto conformabilidad en caliente, templabilidad y

buena resistencia al desgaste.

En el país el, sector automotriz, metal mecánico, minero y agroindustrial se ha

incrementado considerablemente, donde el reemplazo de piezas como discos de frenos,

cigüeñales, engranajes, implementos agrícolas, etc., que son fabricados de fundición nodular

es inevitable debido a que están sometidos a desgaste, fatiga y sobreesfuerzos. Además la

carencia de estas piezas con el mismo tipo de aleación y con las mismas propiedades

mecánicas que requieren estos componentes, causan a las empresas pérdidas, debido a que

estas fallan prematuramente y tienen que ser importados, y si se fabrican en el país, solo son

en estado fundido sin ningún tratamiento térmico.

En la actualidad, empresas fundidoras radicadas en Lima producen fundición nodular,

usando el proceso metalúrgico aplicado a la fundición gris líquida: desulfuración,

nodulización e inoculación y colada en molde de arena, obteniendo piezas de fundición

perlítica o ferrítica – perlítica (tipo ojo de buey) solo en estado de fundido sin aplicar ningún

tratamiento térmico, como el caso del recocido, para producir un cambio en la

microestructura de la fundición hacia una condición de equilibrio más estable, esto es, una

(16)

resistencia mecánica y aumentando considerablemente la ductilidad y por ende mejorar la

maquinabilidad.

Debido a esto se consideró necesario evaluar el efecto de la temperatura de recocido

sobre la resistencia al impacto y dureza de una fundición nodular ASTM A536 en la

obtención de una fundición nodular ferrítica.

1.2.Antecedentes

Fernández J. y Carrasquilla R. (2005). Estudiaron la fundición nodular mediante la

mecánica de fractura y concluyeron que: en general la fundición nodular no muestra una

correlación clara entre resistencia a la tracción y dureza, siendo esta última una medida de la

resistencia de la matriz, y que la fundición nodular, cuya matriz presenta baja resistencia, es

susceptible a fractura fibrosa, mientras que la de alta resistencia experimento fractura

intergranular actuando de igual manera que el acero al silicio. Cuando la matriz de fundición

nodular se fractura mediante mecanismo fibroso, existe una relación directa entre dureza de

la matriz, KIC y resistencia a la tracción de fundición, y cuando la matriz de la fundición

nodular falla de manera frágil existe una correlación inversa entre dureza de la matriz, factor

KIC y resistencia a la tracción. La tenacidad a la fractura KIC aumenta según se incrementa la

temperatura de revenido de 300 hasta 650°C.

Bacon R. (2008). Concluyen que: la velocidad de enfriamiento después de la

(17)

mecánicas de la fundición nodular. Si se necesita un ablandamiento máximo, para

incrementar la maquinabilidad, es importante que la velocidad de enfriamiento sea lo

suficientemente lenta para permitir la completa grafitización y prevenir que se formen

tensiones residuales a causa de gradientes térmicos dentro de la fundición. En la mayoría de

los casos las velocidades de enfriamiento en horno alcanzan a 50 °C/hora, hasta muy por

debajo del rango crítico (300°C aprox.), y el enfriamiento posterior hasta temperatura

ambiente debe ser al aire calmado.

Aguirre V. y Vaca H. (2013). En la investigación de la temperatura de temple y la

temperatura de revenido en una fundición nodular perlítica ASTM A536 grado 80 – 55 – 06

concluyen que: la temperatura de temple en el rango de 800 a 1000°C y la temperatura de

revenido en el rango de 200 a 500°C afecta considerablemente la dureza, resistencia a la

tracción y ductilidad (% elongación). A medida que aumenta la temperatura de temple desde

800 a 900°C la dureza aumenta y luego disminuye hasta 1000°C debido a que a esta

temperatura existe mayor cantidad de austenita retenida, y a medida que aumenta la

temperatura de revenido de 200 a 500°C la dureza y resistencia a la tracción disminuye para

todos los niveles de temperatura de temple. Obteniéndose los mejores valores de dureza

para 800°C, los mejores valores de resistencia a la tracción para 850°C y aumenta la

ductilidad.

Fernández R. y Henrique C. (2014). Investigaron la temperatura de austemperizado en

(18)

de austemperizado desde 250 hasta 350°C, la dureza disminuye y luego se incrementa

ligeramente hasta 450°C. Y el valor alto obtenido a 250°C se debe a que la estructura está

formada por finas placas de ferrita y austenita metaestable enriquecida con carbono. A

medida que se incrementa la temperatura de austempering, la resistencia al impacto

aumentó obteniéndose el mejor valor a 350°C, y también que el incremento de la

temperatura de austempering hace que la resistencia al desgaste disminuya. También que a

temperaturas bajas de austempering se obtuvo las mejores propiedades de dureza y

resistencia al impacto, mientras que a temperaturas altas de austempering se obtuvo los

mejores valores de resistencia al impacto.

Goicochea R. (1999). En la investigación sobre el tratamiento térmico aplicado a una

fundición nodular concluye que: la velocidad de calentamiento para piezas con secciones

gruesas y delgadas, deben ser precalentadas a 400 – 500°C, antes de llevarse a la

temperatura de austenización. En general, la velocidad de calentamiento desde temperatura

ambiente hasta la temperatura de recocido, no debería exceder de 110°C/hora, y que el

tiempo de permanencia a la temperatura de recocido es importante. En una fundición

nodular no aleada se recomienda un tiempo de permanencia, cuando los carburos son

masivos, de 1 a 3 horas, más 1 hora por 25 mm de espesor. Y también la velocidad de

enfriamiento, después de la permanencia a temperatura de recocido, afecta definitivamente

las propiedades mecánicas de la fundición y si se necesita un máximo de ablandamiento, la

(19)

suficientemente lenta para permitir la completa grafitización, y esto sucede con velocidades

de enfriamiento en horno de 50°C/hora.

Gundlachr B. y Janowak F. (1995). En el estudio del austemperizado (ADI) de la

fundición nodular o dúctil, menciona que: el hierro dúctil que ha sido austemperizado (ADI)

con calentamiento entre 875 – 925°C manteniendo a esta temperatura de 2 a 4 horas y

enfriamiento de baño salino entre 400 a 450°C, mantenimiento a esta temperatura de 1 a 6

horas y enfriamiento a temperatura ambiente, produce alta ductilidad a alta resistencia con

una dureza intermedia y calentamiento entre 875 a 925°C, mantenimiento a esta

temperatura de 2 – 4 horas, enfriamiento en baño salino entre 235 a 350°C durante 1 a 6

horas y enfriamiento a temperatura ambiente, produce alta resistencia, algo de ductilidad y

una excelente dureza.

Bates C. (1986). Menciona que: en el recocido de la fundición nodular a alta

temperatura (870 – 900°C) se logra la descomposición de los carburos junto a un efecto de

ablandamiento debido al calentamiento a una temperatura bastante superior al rango

crítico, con suficiente tiempo para homogenizar y disolver o descomponer todos los

carburos, seguido por un enfriamiento lento por debajo del rango crítico, resultando la

completa descomposición o grafitización de los carburos dando como resultado una

microestructura final de grafito (nódulos), ferrita y algo de perlita. El carburo de hierro (Fe3C)

libre es grafitizado sólo después de haber sido completamente solubilidado en la austenita. Y

(20)

V inhiben el proceso de grafitización y la completa descomposición de los carburos libres

requieren temperaturas más altas (900 – 930°C) y tiempos más prolongados.

Mullins J. (1990). En su investigación: “Estudio comparativo de las propiedades

mecánicas de la fundición gris y fundición nodular”, concluyen que: al contrario de una

fundición gris, la cual contiene hojuelas de grafito, la fundición nodular tiene una estructura

de colada que contiene partículas de grafito en forma de pequeños nódulos esferoidales en

una matriz metálica dúctil. De este modo la fundición nodular tiene una resistencia mucho

mayor que una fundición gris y un considerable grado de ductilidad. De este modo la

fundición nodular tiene una resistencia mucho mayor que una fundición gris y un

considerable grado de ductilidad, estas propiedades y otras tantas pueden mejorarse con la

utilización de tratamientos térmicos debido a la facilidad de realizar estos tratamientos ya

que el carbono libre de la matriz se puede disolver a cualquier nivel para ajustar su dureza y

propiedades mecánicas y que el contenido de grafito proporciona características de

lubricación en engranajes móviles debido a su bajo coeficiente de fricción, y según esto los

engranajes funcionan con mayor eficiencia si son fabricados con fundiciones nodular.

Lascano M. (2013). En la investigación sobre la fundición nodular concluye que: la

elaboración del hierro nodular para obtener la microestructura ideal es efecto de la adición

del aleante llamado ferrosilicio magnesio, el cual le da muchas propiedades deseadas. Los

pasos de elaboración del hierro nodular debe seguir un orden lógico para obtener un

(21)

depende de la microestructura de la matriz y de las características morfológicas del grafito.

La morfología de la matriz depende del control de la velocidad de enfriamiento o se puede

adicionar elementos de aleación que ayuda a obtener una matriz deseada, y que las

características morfológicas del grafito que se obtiene durante su solidificación no es posible

modificarlo con posteriores tratamientos térmicos, lo que supone que el grafito es estable.

1.3.Fundamento teórico

1.3.1.Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono y silicio que generalmente contienen

también manganeso, fósforo, azufre, entre otros. Su contenido en carbono (2 a 4.5%) es

superior al contenido de carbono de los aceros (0.1 a 1.5%).

Se caracterizan porque adquieren su forma definitiva directamente por colada, no

siendo las fundiciones sometidas procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente

En general, no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse. (Apraiz J., 1963,

p. 146)

Las microestructuras de los cinco tipos importantes de hierros fundidos se muestran de

(22)

Figura 1.1. Dibujos esquemáticos de los cinco tipos de fundiciones (hierros fundidos): (a)

Fundición gris, (b) Fundición blanca, (c) Fundición maleable, (d) Fundició dúctil o

nodular y (e) Hierro con grafito compactado. Fuente: Askeland D., 2006, p. 574.

1.3.2.Fundición Nodular

Este hierro, también conocido como hierro dúctil, hierro de grafito esferoidal o hierro

esferulítico, es hierro fundido en el que el grafito está presente como pequeñas bolas o

esferoides. Los esferoides compactos interrumpen la continuidad de la matriz mucho menos

que las hojuelas de grafito, lo cual da como resultado mayor resistencia y tenacidad,

comparada con una estructura semejante a la del hierro gris. El hierro nodular difiere del

maleable en que generalmente se obtiene como resultado de la solidificación y no requiere

tratamiento térmico. El contenido total de carbono de hierro nodular es el mismo que en el

hierro fundido gris. Las partículas esferoidales de grafito se forman durante la solidificación

(23)

La adición de los elementos formadores de nódulos, generalmente magnesio o cerio, se

efectúa en el cucharon antes del vaciado. Como estos elementos tienen una estrecha

afinidad para el azufre, el contenido de azufre de la aleación de base hierro debe ser inferior

al 0.015% para que el tratamiento sea efectivo, y las aleaciones se describen como

“desulfurizadas”.

La microestructura de la pieza en bruto (hierro nodular) consiste en nódulos de grafito

rodeado de ferrita (estructura ojo de buey) en una matriz de perlita según figura 1.2 y

también puede incluir algunas cantidades de cementita libre. (Avner S., 1979, p. 446)

Figura 1.2. Fundición nodular ferrítica perlítica grado 80-55-06. Estructura típica de ojo de

buey de nódulos de grafito rodeado por ferrita en una matriz perlítica. Ataque

químico: Nital 3%. 100X. Fuente: Avner S., 1979, p. 446.

1.3.3.Clasificación de las fundiciones nodulares por el tipo de matriz

Una clasificación de las fundiciones nodulares es según el tipo de matriz, las fundiciones

(24)

a. Fundición nodular de matriz ferrítica:

Este tipo de fundición posee buena resistencia al impacto, excelente ductilidad así como

una resistencia mecánica y fluencia equivalente a un acero de bajo contenido de carbono.

b. Fundición nodular de matriz ferrítica – perlítica:

Este tipo de fundición requiere de menor control de las variables durante la fabricación

con respecto a la anterior por lo que su costo de producción es menor. Posee propiedades

mecánicas intermedias a las fundiciones completamente ferríticas y perlíticas, y excelente

maquinabilidad. La microestructura que presenta es conocida como ojo de buey. (Smith W.,

2004, p. 305 – 306)

c. Fundición nodular de matriz perlítica:

La matriz perlítica confiere alta resistencia mecánica, buena resistencia al desgaste así

como una moderada ductilidad y resistencia al impacto. La maquinabilidad es superior

comparada con aceros de similares propiedades físicas.

d. Fundición nodular martensítica:

Este tipo de fundición se obtiene con la adición de elementos que evitan la formación

perlítica y un tratamiento térmico controlado. Su característica es la elevada resistencia al

(25)

e. Fundición nodular austenítica:

Se obtiene mediante la adición de elementos aleantes que estabilizan la matriz

austenítica. Tiene excelente resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, buenas

propiedades no magnéticas y estabilidad dimensional a elevadas temperaturas.

f. Fundición nodular bainítica:

Se obtiene mediante un tratamiento térmico en el temple austenítico (austempering)

que proporciona una resistencia mecánica cercana al doble de la fundición nodular de matriz

perlítica, se caracteriza por su elevada ductilidad y tenacidad. Esta combinación de

propiedades eleva la resistencia a la fatiga del material. (Gordillo S., 2010, p. 72)

1.3.4.Propiedades de las fundiciones nodulares ó dúctiles

Las propiedades mecánicas de ductilidad y de impacto son principalmente determinadas

por las proporciones de ferrita y perlita en la matriz. A medida que aumentan la cantidad de

perlita, la energía de impacto máxima se incrementa. La estructura de la matriz puede ser

cambiada por los tratamientos térmicos.

En la figura 1.3, se señalan las características más importantes de la fundición con

(26)

Figura 1.3. Características mecánicas de las fundiciones con grafito esferoidal en diferentes

estados de tratamientos. Fuente: Apraiz J., 1963, p. 146.

Se observa que estas fundiciones tienen resistencias comprendidas entre 45 y 90

kg/mm2, por lo que es posible compararlas con un acero semiduro. Los valores del límite de

elasticidad en bruto o en estado de recocido son, aproximadamente, de un 65% de la carga

de rotura y después del temple y revenido el límite de elasticidad es un 85%

aproximadamente, de la carga de rotura.

El módulo de elasticidad es 17 500 kg/mm2 un poco inferior al de los aceros. Los valores

de resistencia y alargamiento son superiores a los de las fundiciones ordinarias, pero

inferiores al de los aceros.

Cuando interesa alta resistencia con relativamente buena ductilidad convendrá

emplearlas después de un temple y revenido. Según la figura 1.3 con temple y revenido se

(27)

1.3.5.Tratamientos térmicos de las fundiciones nodulares

Con las fundiciones de grafito esferoidal, debido a su alta ductilidad, se pueden obtener

una variedad muy grande de propiedades y características debido a su excelente aptitud a

los tratamientos térmicos. Puede decirse que estas aleaciones responden al temple y al

revenido en forma parecía a como lo hacen los aceros.

Es muy interesante saber que el carbono que se encuentra en la fundición en forma de

grafito disperso puede actuar como carbono suplementario o de reserva, para la

carburización o descarburización de la matriz. Por eso la microestructura de estas

fundiciones puede estar constituida según sean los tratamientos, por ferrita y perlita, por

martensita y por martensita revenida. Para conseguir esas microestructuras y con ello

diversos niveles de dureza, resistencia, tenacidad y ductilidad, se dan a estas fundiciones los

más diversos tratamientos empleándose para este proyecto el tratamiento térmico de

temple y revenido. (Apraiz J., 1963, p. 148)

a. Recocido de la Fundición Nodular

El recocido es un tratamiento térmico que se aplica a la fundición nodular con el

propósito de reducir la dureza y mejorar la maquinabilidad, y que puede, simultáneamente

producir cambios en estas propiedades. Comprende los procesos de alivio de tensiones

residuales, disminución de la resistencia mecánica e incremento de la ductilidad y resistencia

al impacto. Metalúrgicamente el recocido en la fundición nodular representa un cambio en

(28)

estructura más uniforme. En general, periodos de calentamiento largos, altas temperaturas

de recocido y velocidades de enfriamiento muy lentos tienden a favorecer el alcance del

equilibrio y máximo efecto de ablandamiento.

El recocido de la fundición incluye un aspecto no presente en el acero. Por un

enfriamiento lento el contenido de carbono de la matriz, el carbono combinado se reduce a

cero, de manera que, solo ferrita y grafito quedan remanentes en la microestructura. El

silicio en la fundición causa precipitaciones del carbono que se deposita en el grafito

presente (nódulos). El recocido, en sus variadas formas, provee un medio controlado de

alcanzar el máximo de ablandamiento y maquinabilidad, o un ablandamiento parcial con

retención de altos niveles de resistencia. (Bermont V. y Martínez V., 1999, p. 330 - 333)

Las fundiciones nodulares se tratan térmicamente fundamentalmente para crear

microestructuras, y sus propiedades mecánicas adecuadas que no se obtienen fácilmente tal

cual coladas. Los tratamientos más importantes y sus propiedades son:

 Alivio de tensiones, un tratamiento de baja temperatura para reducir o eliminar tensiones

internas remanentes de la colada.

 Recocido para mejorar ductilidad y tenacidad, para reducir dureza y eliminar carburos.

 Normalizado, para aumentar la resistencia con algo de ductilidad.

 Temple y revenido, para incrementar la dureza o mejorar la resistencia y aumentar el

(29)

 Austempering, para obtener una estructura de alta resistencia, con alguna ductilidad y

buena resistencia al desgaste.

 Endurecimiento superficial, por inducción, llama o laser para producir una superficie duro

localmente resistente al desgaste.

Las microestructuras obtenidas por estos tratamientos pueden dividirse en dos grandes

categorías:

 Aquellas en la que la fase matriz es mayoritariamente o termodinámicamente estable

estructura BCC (ferrita); usualmente se obtiene por los procesos de recocido,

normalizado, normalizado y revenido o temple y revenido.

 Aquellas con una fase matriz FCC (austenita) metaestable, se obtiene por austempering,

un proceso de reacción isotérmica del que resulta un producto denominado fundición

nodular austemplado (ADI).

La figura 1.4 muestra el diagrama de transformación continuo y las curvas de

enfriamiento obtenido por enfriamiento en horno (recocido), aire (normalizado) y aceite o

agua (temple). Se puede ver que el resultado del enfriamiento lento en horno es una matriz

ferrítica (producto deseado en recocido), mientras que el enfriamiento al aire o normalizado,

resulta una matriz perlítica y el temple produce una matriz fundamentalmente martensítica

con algo de austenita retenida. El revenido suaviza las condiciones de normalizado y temple,

resultando microestructuras de matriz ferríticas con pequeñas partículas de carburo de

(30)

Figura 1.4. Diagrama de transformación de enfriamiento continuo (TEC), mostrando los

tratamientos de recocido, normalizado y temple. Fuente: Bermont V. y Martínez

V., 1999, p. 330 – 333.

Tipos de recocidos en Fundición Nodular

Recocido de alta temperatura o de grafitización

Se logra la descomposición de los carburos junto a un efecto de ablandamiento debido

al calentamiento a una temperatura bastante superior al rango crítico, con suficiente tiempo

para homogenizar y disolver o descomponer todos los carburos, seguido por un

enfriamiento lento bastante por debo del rango crítico. Como resultado de la completa

descomposición o grafitización de los carburos, resulta una microestructura final de grafito,

ferrita y algo de perlita. Este proceso está fuertemente afectado por la composición y

estructura de la fundición previa al recocido. Por ejemplo, en presencia de 1.5 a 2.5% Si, es

normal encontrar en la fundición gris o nodular carburo de hierro en forma de perlita, que

(31)

El carburo de hierro en la forma de cementita libre puede ser grafitizado sólo después

de haber sido completamente solubilizado en la austenita. En la mayoría de las fundiciones

nodulares o grises no aleados, la austenización se realiza de 870 a 900°C. La presencia de

pequeños porcentajes de estabilizantes de carburos tales como Cr, Mo o V inhiben el

proceso de grafitización, y la completa descomposición de los carburos libres requieren

temperaturas más altas, 900 – 930°C y tiempos más prolongados. El inconveniente de usar

temperaturas tan altas como 930 a 960°C, es que el eutéctico del fósforo (esteadita),

presente en las fundiciones con más de 0.10% P, puede fundirse con el consecuente

deterioro de la fundición.

La grafitización está principalmente influenciado por el tamaño y distribución de las

partículas de carburos libres. Cantidades relativamente pequeñas y bien dispersas, son

mucho más fácilmente grafitizables que carburos masivos. (Riveros S. y Castillo R., 2003, p.

106)

Recocido de media temperatura

Cuando no se presentan carburos masivos o se hallan en cantidades pequeñas y

dispersas, se puede realizar un recocido total calentando justo por encima del rango crítico,

entre 815 y 890°C, según el contenido de silicio (que eleva la temperatura crítica), seguido

(32)

En este recocido, la temperatura de austenizado es menor y un tiempo de

calentamiento más corto, especialmente cuando no hay carburos libres. Es decir, se prefiere

un tiempo mínimo a temperatura para lograr el resultado deseado, ya que un

mantenimiento prolongado tiende a causar oxidación e imperfección en la superficie y

distorsión en la fundición.

Recocido de temperatura baja o ferritizado

Un recocido satisfactorio de la perlita en ausencia de cementita libre en una fundición

nodular, se puede lograr por medio de un calentamiento levemente debajo del rango crítico,

seguido de un enfriamiento lento. El propósito es convertir una matriz perlítica en ferrita y

grafito por un proceso gradual de difusión más que una transformación.

En fundiciones no aleadas, el calentamiento se realiza debajo de la temperatura crítica

de 730 a 790°C, manteniéndola 1 hora por 25 mm de espesor, seguido de un enfriamiento

lento de aproximadamente 45°C/hora.

La disminución de la dureza durante la ferritización en una fundición no aleada es

afectada por el contenido de Si y la temperatura. Con un 2% de Si aproximadamente, la

ferritización se produce bastante rápidamente a 760°C y se puede lograr convertir el 90% de

perlita en ferrita en 20 a 30 minutos para una sección delgada. (Riveros S. y Castillo R., 2003,

(33)

1.3.6.Ensayo de resistencia al impacto

La resistencia al impacto es la energía requerida para fracturar una probeta o muestra

tipo cuando la carga se aplica repentinamente.

El ensayo de impacto Charpy es usado para medir esta energía, como también para

caracterizar la temperatura de transición en materiales. La energía de impacto a partir de

este ensayo, se correlaciona con el área bajo la curva total de esfuerzo deformación, es

decir, la tenacidad, es una medida de la cantidad de energía absorbida al fracturar un

material.

El ensayo de impacto Charpy, es un ensayo dinámico en el cual la probeta con muesca es

golpeada y fracturada mediante la aplicación de una carga instantánea. Consiste en dejar

caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea a una probeta de forma paralelepípeda

ubicada en la base de la máquina. El resultado neto del ensayo es someter la muestra en

sucesión rápida deformación elástica, la deformación plástica y finalmente la fractura. El

valor medido es la energía de impacto, que se calcula directamente a partir de las

diferencias de las alturas inicial y final del péndulo de oscilación.

Para tener control sobre el proceso de fractura, se hace la muesca para concentrar el

esfuerzo, en el lado de la muestra sometida al esfuerzo máximo, figura 1.5. (Callister W.,

(34)

Figura 1.5. Método Charpy para la prueba de impacto. Fuente: Callister W., 1995, p. 224.

1.3.7.Ensayo de dureza

La dureza se define como la resistencia que opone un material a la penetración. La

dureza de una fundición maleable es generalmente medida por el ensayo Brinell.

La prueba de dureza Brinell, que se usa desde 1900, se aplica principalmente para

determinar la dureza en bulto de secciones pesadas, como los elementos forjados o colados.

De todos los métodos de identación es el que necesita de menor preparación de la superficie

(35)

Esta prueba se realiza imprimiendo una bola de acero de 10 mm de diámetro con una

carga de 3000 Kg en la superficie durante un tiempo estándar, que por lo general es de 30

segundos, según figura 1.6. Para los metales no ferrosos, la carga se reduce a 500 Kg y en los

metales muy duros se usa una esfera de tungsteno. Se mide el diámetro promedio de la

impresión que resulta y de esto se puede determinar el número de dureza Brinell (NDB) con

la fórmula:

𝑁𝐷𝐵 = 𝑃

(𝜋 𝐷 2⁄ )(𝐷 − √𝐷2− 𝑑2)

En la que P= carga aplicada (Kg); D= diámetro de la esfera (mm); d=diámetro de la

impresión (mm).

Esta forma representa simplemente la carga (P) dividida entre el área de la superficie de

una impresión de diámetro d. En la práctica real, no es necesario hacer cálculos; puesto que

la carga es constante, los valores NDB que corresponden a varios diámetros de impresión se

leen en una tabla. (Groover M., 1997, p. 58)

(36)

1.4.Problema

¿Cómo afecta la temperatura de recocido en el rango de 800 a 1000°C sobre la

resistencia al impacto y dureza de una fundición nodular ASTM A536?

1.5.Hipótesis

El incremento de la temperatura de recocido en el rango de 800 a 1000°C de la

fundición nodular ASTM A536, la dureza disminuye y aumenta la resistencia al impacto,

debido a la transformación de la perlita en ferrita.

1.6.Objetivos

1.6.1.Objetivo general

Determinar el efecto de la temperatura de recocido en el rango de 800 a 1000°C sobre

la resistencia al impacto y dureza de una aleación nodular ASTM A536 utilizando técnicas de

identación e impacto y técnicas de metalografía.

1.6.2.Objetivos específicos

 Determinar la temperatura de recocido mínima en la cual la fundición nodular ASTM A536

es completamente fundición nodular ferrítica.

 Distinguir las temperaturas de recocido y su consecuencia en la microestructura y la forma

como las fases originales se van transformando en la obtención de una fundición nodular

ferrítica

 Obtener conclusiones adecuadas sobre todos los resultados y análisis obtenidos de la

(37)

CAPITULO II

MATERIALES Y METODOS

2.1. Material de estudio

En la presente investigación se utilizaron barras cuadradas de 15 mm x 15 mm x 200 mm

de longitud de fundición nodular ASTM A536, suministradas por la empresa Fundición

Laminar SAC de Lima.

Propiedades químicas, mecánicas y metalúrgicas de la fundición nodular ASTM A536

en estudio

a. Composición química

Tabla 2.1. Composición química de la fundición nodular ASTM A536.

Elemento C Si Mn S P

% 3.15 2.15 0.40 0.01 0.015

Fuente: Fundición Laminar SAC. Lima – Perú.

b. Propiedades mecánicas

Tabla 2.2. Propiedades mecánicas de la fundición nodular ASTM A536.

Estado

Propiedades mecánicas

Dureza (HB)

Resistencia a la tracción (kg/mm2)

Resistencia a la

fluencia (kg/mm2) Elongación (%)

Fundido 198 54.16 37.20 6.2

(38)

c. Características metalográficas

Figura 2.1. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 en estado de suministro. La

microestructura consta de perlita, ferrita y nódulos de grafito característica de

una fundición nodular ferrítica – perlítica tipo ojo de buey. Ataque químico: Nital

3%. 200X.

2.1.1. Muestra

Las probetas para los respectivos ensayos fueron obtenidos de barras cuadradas de

fundición nodular ASTM A536 de 15 mm x 15 mm x 200 mm de longitud, cuyas medidas y

geometría se muestran en la figura 2.2.

12

1

2

200

UM: mm

Figura 2.2. Medidas y geometría de las barras de fundición nodular ASTM A536 para la

15

(39)

Probeta para el ensayo de impacto

Se maquinaron de las barras cuadradas de fundición nodular ASTM A536 según norma

ASTM E23-98, cuyas medidas y geometría se muestran en la figura 2.3.

27.50 mm

55.00 mm

r 0.25mm

45°

10.00

8

.0

0

1

0

.0

0

Figura 2.3. Probeta para el ensayo de impacto Charpy, según norma ASTM E23-98.

Probeta para el ensayo de dureza

Se maquinaron de las barras cuadradas según norma ASTM E-140 cuyas medidas y

geometrías se muestran en la figura 2.4. Las mismas sirvieron para los respectivos análisis

metalográficos.

12 15

UM: mm 12

Figura 2.4. Probetas para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140, y para el análisis

microestructural.

15

(40)

2.1.2. Equipos, instrumentos, materiales consumibles y reactivos

a. Equipos

 Horno eléctrico tipo mufla de 5.5 Kw, 220V. Temperatura de 0°C – 1200°C.

 Cortadora de probetas BAINCUT-M.

 Maquinado de probetas: Torno Mhasa: 3 HP, 220 V, 1.5 m de bancada.

 Fresadora TOS: 3HP, 220V y 1.0 m de bancada.

 Durómetro digital Universal TIME GROUP TBHRV – 187.5.

 Equipo de ensayo de impacto Charpy: FRITZ HECKERT. 300 J.

 Microscopio Metalográfico Leica de 50X – 1000X.

 Cámara fotográfica digital CANON de 8 megapíxeles.

b. Instrumentos

 Termocupla K.

 Identador cono 120° de carburo de tungsteno, para medición de dureza.

 Pirómetro Shimaden (0 – 1200°C).

c. Materiales consumibles y reactivos

 Fundición nodular ASTM A536: barras cuadradas de 15 mm x 15 mm x 200 mm long.

 Disco de corte: ø 115 mm x 22 mm x 2.5 mm.

 Resina epóxica y peróxido de cobalto.

 Papel abrasivo: 80, 100, 180, 220, 320, 400, 600 y 1000.

(41)

 Hojas de sierra Sánflex.

 Guantes y mandiles.

 Alcohol 90°.

 Reactivo de ataque químico: Nital 2%. (Alcohol – 2% HNO3).

 Algodón, franela y pana.

2.2. Métodos y técnicas

2.2.1. Modelo experimental

Para el diseño del análisis de resultados de las pruebas experimentales se utilizó el

diseño factorial de un solo factor (unifactorial) con cinco niveles y tres réplicas. Se consideró

las siguientes variables:

Variable independiente:

Temperatura de recocido (°C): 800 – 850 – 900 – 950 – 1000.

Variable dependiente o variable respuesta:

o Dureza: escala Brinell (HB).

o Resistencia al impacto: Método Charpy medido en Joule (J).

Variables parametrizadas:

o Tiempo de recocido (hrs): 25.

(42)

Para el cálculo del número de probetas se utilizó la siguiente expresión:

P = A x R

Donde:

P = N° de probetas; A = Niveles de las variable independiente; R = Número de

repeticiones.

Considerando cinco (05) niveles para la variable independiente (temperatura de

recocido) con tres réplicas, entonces el tamaño de muestra será:

Número de probetas (P) = 5 x 3 = 15 probetas.

Se utilizó 15 probetas para el ensayo de impacto y 15 probetas para el ensayo de

dureza, las mismas que sirvieron para los respectivos análisis microestructurales.

2.2.2. Matriz de datos

Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para análisis de los resultados.

Temperatura de

recocido (°C)

Réplicas

1 2 3

T1 t11 t12 t13

T2 t21 t22 t23

T3 t31 t32 t33

T4 t41 t42 t43

T5 t51 t52 t53

Ti : Temperatura de recocido (hrs): 800 – 850 – 900 – 950 – 1000.

(43)

Tabla 2.4. Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor, para determinar la

resistencia al impacto y dureza.

Temperatura de

recocido (°C)

Réplicas

1 2 3

T1 1 6 15

T2 4 14 9

T3 11 12 2

T4 3 5 7

T5 8 10 7

2.3. Procedimiento experimental

Las pruebas experimentales de la presente investigación se realizaron de acuerdo al

siguiente diagrama de bloques de la figura 2.5.

Figura 2.5. Diagrama de bloques del procedimiento experimental.

Maquinado de probetas Dureza: ASTM E-140 Impacto: ASTM E23-98

Ensayo de dureza y análisis metalográfico

Ensayo de impacto

Elaboración de informe Resultados y discusión

Barras de 15 mm x 15 mm x 200 mm longitud de fundición nodular ASTM A536

Tratamiento térmico de recocido a las temperaturas de estudio

(44)

a) Maquinado de probetas

De las barras cuadradas de fundición nodular ASTM A536 de 15 mm x 15 mm x 200 mm

de longitud, fabricados por la empresa Fundición Laminar SAC, se cortaron y maquinaron

para obtener las probetas para el ensayo de dureza según la norma ASTM E-140 (ver figura

2.4) y para el ensayo de impacto según norma ASTM E23-98 (ver figura 2.3).

b) Tratamiento térmico de recocido

Se realizó utilizando el horno eléctrico tipo mufla, con control automático de

temperatura, de la siguiente manera:

 03 probetas para el ensayo de dureza y 03 probetas para el ensayo de impacto se

calentaron a 800°C por espacio de 25 horas y luego se enfriaron lentamente dentro del

horno.

 03 probetas para el ensayo de dureza y 03 probetas para el ensayo de impacto se

calentaron a 850°C por espacio de 25 horas y luego se enfriaron lentamente dentro del

horno.

 03 probetas para el ensayo de dureza y 03 probetas para el ensayo de impacto se

calentaron a 900°C por espacio de 25 horas y luego se enfriaron lentamente dentro del

horno.

 03 probetas para el ensayo de dureza y 03 probetas para el ensayo de impacto se

calentaron a 950°C por espacio de 25 horas y luego se enfriaron lentamente dentro del

(45)

 03 probetas para el ensayo de dureza y 03 probetas para el ensayo de impacto se

calentaron a 1000°C por espacio de 25 horas y luego se enfriaron lentamente dentro del

horno.

c) Ensayo de dureza

Este ensayo se realizó utilizando el durómetro digital universal TIME GROUP 187.5 en la

escala Brinell (HB).

d) Ensayo de impacto

Con este ensayo se obtuvo la resistencia al impacto medido en Joule, se utilizó el

método Charpy usando la máquina de péndulo FRITZ HECKERT.

e) Análisis metalográfico

Para este análisis se utilizó el microscopio metalográfico Leica de 50 – 1000X y las

mismas probetas usadas para el ensayo de dureza. Se realizó de acuerdo a la siguiente

secuencia: corte de probetas, encapsulado de probetas, desbaste, pulido grueso, pulido fino,

ataque químico con Nital 2% y toma de fotomicrografía utilizando la cámara fotográfica

digital Canon S85.

f) Evaluación de resultados

Los resultados se evaluaron estadísticamente usando el análisis de varianza para

(46)

seleccionado, para la cual se considerara un error α = 0.05 que corresponde a un nivel de

(47)

CAPITULO III

RESULTADOS

Los resultados correspondientes a las pruebas experimentales realizadas en probetas de

fundición nodular ASTM A536 a las temperaturas de recocido en estudio por un tiempo de

25 horas y con enfriamiento lento dentro del horno se presentan a continuación:

3.1. Resultados del ensayo de dureza

Este ensayo se realizó en la escala Brinell (HB), utilizando el durómetro digital universal

TIME GROUP THBRVP 187.5. Estos resultados se muestran en la tabla 3.1 y figura 3.1.

Tabla 3.1. Resultados de dureza Brinell (HB) obtenidos en probetas de fundición nodular

ASTM A536 recocido a las diferentes temperaturas en estudio durante 25 horas.

Temperatura de recocido (°C)

Dureza (HB)

D1 D2 D3 Promedio

800 158.20 152.20 162.40 157.60

850 142.70 145.40 138.60 142.20

900 120.20 124.80 122.20 122.40

950 120.30 122.10 116.90 119.80

1000 117.20 116.00 114.30 115.80

(48)

Figura 3.1. Efecto de la temperatura de recocido sobre la dureza (HB) en una fundición

nodular ASTM A536.

3.2. Resultados del ensayo de impacto

Este ensayo se realizó utilizando la máquina de Péndulo de impacto FRITZ HECKERT

según el método Charpy. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 3.2 y figura 3.2.

Tabla 3.2. Resultados de resistencia al impacto (J) obtenidos en probetas de fundición

nodular ASTM A536 recocido a las diferentes temperaturas en estudio durante

25 horas.

Temperatura de recocido (°C)

Resistencia al impacto (J)

J1 J2 J3 Promedio

800 78.20 81.20 82.40 80.60

850 102.70 101.10 108.40 104.10

900 138.40 128.60 135.20 134.10

950 136.10 130.50 126.20 130.90

1000 126.00 120.30 126.30 124.20

Suministro (25°C) 57.80 53.80 50.20 53.90

90 100 110 120 130 140 150 160 170

750 800 850 900 950 1000 1050

Du re za ( HB )

(49)

Figura 3.2. Efecto de la temperatura de recocido sobre la resistencia al impacto (J) en una

fundición nodular ASTM A536.

3.3. Resultados del análisis microestructural

Las fotomicrografías de las microestructuras de las probetas de fundición nodular ASTM

A536 en estado fundido (suministro) y recocidas por 25 horas a las temperaturas de 800,

850, 900, 950 y 1000°C con enfriamiento lento dentro del horno se muestran en las figuras

3.3 a 3.8, para ello se utilizó el microscopio metalográfico Leica de 50 a 1000X.

Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 en estado de suministro (fundido)

a)

60 70 80 90 100 110 120 130 140

750 800 850 900 950 1000 1050

Resi

sten

ci

a

al

impa

cto

(

J)

(50)

b)

c)

Figura 3.3. Fotomicrografía de la fundición nodular en estado suministro (fundido). a)

Nódulos de grafito característica de una fundición nodular. Sin ataque químico.

50X. La microestructura consta de perlita (oscura), nódulos de grafito (Gn)

rodeado de ferrita (clara), característica de una fundición nodular ferrítica –

perlítica, tipo ojo de buey. Dureza: 198.40 HB. Ataque químico: Nital 2%. b) 200X.

(51)

Fotomicrografías de la fundición nodular ASTM A536 recocido a las temperaturas de

800, 850, 900, 950 y 1000°C por espacio de 25 horas con enfriamiento lento dentro del

horno.

Figura 3.4. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 800°C por 25

horas con enfriamiento lento dentro del horno. La microestructura consta de

nódulos de grafito (Gn), ferrita alrededor de los nódulos de grafito y perlita.

Dureza: 157.60 HB. Ataque químico: Nital 2%. 200X.

Figura 3.5. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 850°C por 25

horas con enfriamiento lento dentro del horno. La microestructura consta de

nódulos de grafito (Gn), ferrita en mayor cantidad que la de 800°C y perlita en

(52)

Figura 3.6. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 900°C por 25

horas con enfriamiento lento dentro del horno. La microestructura consta de

nódulos de grafito (Gn) y ferrita (claro) característica de una fundición nodular

ferrítica. Dureza: 126.40 HB. Ataque químico: Nital 2%. 200X.

Figura 3.7. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 950°C por 25

horas con enfriamiento lento dentro del horno. La microestructura consta de

nódulos de grafito (Gn) y ferrita (claro) característica de una fundición nodular

(53)

Figura 3.8. Fotomicrografía de la fundición nodular ASTM A536 recocido a 1000°C por 25

horas con enfriamiento lento dentro del horno. La microestructura consta de

nódulos de grafito (Gn) y ferrita (claro) característica de una fundición nodular

(54)

CAPITULO IV

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

4.1. Del ensayo de dureza

La tabla 3.1 y figura 3.1 muestran los resultados de dureza obtenidos en probetas de

fundición nodular ASTM A536 recocidos a las temperaturas de 800, 850, 900, 950 y 1000°C

por espacio de 25 horas y con enfriamiento lento (dentro del horno) evaluados en la escala

Brinell (HB).

En la tabla 3.1 se observa que la dureza disminuye según se incrementa la temperatura

de recocido, desde un valor de 157.60 HB para 800°C hasta 115.80 HB para 1000°C, también

muestra que la dureza de la fundición nodular en estado de suministro es 198.40 HB que es

la dureza característica de una fundición nodular ASTM A536 ferrítica – perlítica tipo ojo de

buey. (Manganon P. 2001. p. 252 - 256)

La figura 3.1 muestra el efecto de la temperatura de recocido sobre la dureza (HB) en la

fundición nodular ASTM A536, ésta muestra que a medida que se incrementa la temperatura

de recocido, la dureza disminuye desde 157.60 HB para 800°C hasta 115.80 HB para 1000°C

de temperatura de recocido. Las durezas altas obtenidas en temperaturas de recocido entre

800 y 850°C (157.60 HB y 142.20 HB respectivamente), se deben a que después del

(55)

que indica que la transformación de la austenita a ferrita no es completa, y que para la

temperatura de 850°C existe menor cantidad de perlita, según se observa en la figura 3.4 y

3.5, esto debido a la descomposición parcial de la austenita en ferrita. La dureza para 900°C

de tratamiento fue de 122.40 HB y su estructura consta en su totalidad de ferrita y nódulos

de grafito (Gn), característica de una fundición nodular ferrítica, según se observa en la figura

3.6. Para las temperaturas de recocido de 950 y 1000°C la dureza sigue disminuyendo

ligeramente desde 119.80 HB para 950°C hasta 115.80 HB para 1000°C, donde la

microestructura consta de ferrita y hojuelas de grafito (Gn) más bastas según consta en la

figura 3.7 y 3.8 respectivamente, esto es porque el carburo remanente de la austenita se

difunde y se adhiere en los nódulos de grafito (Gn) y haciendo los granos de ferrita y nódulos

de grafito más bastos, disminuyendo ligeramente la dureza.

4.2. De la resistencia al impacto

Los resultados de resistencia al impacto (J) evaluados por el método Charpy se muestran

en la tabla 3.2 y figura 3.2, donde se observa que a medida que la temperatura de recocido

por 25 horas se incrementa, la resistencia al impacto (J) aumenta hasta 900°C y después

disminuye ligeramente hasta 1000°C. El aumento de la resistencia al impacto desde 80.60 J

para 800°C hasta 134.10 J para 900°C se debe a que al aumentar la temperatura de recocido

la austenita se va transformando en ferrita de tal manera que a 900°C de tratamiento toda la

austenita se ha transformado en ferrita de forma tal que la microestructura consta de ferrita

(matriz) y hojuelas de grafito (Gn) y la ligera disminución de la resistencia al impacto de

(56)

existe mayor difusión de carbono desde la austenita hacia los nódulos de grafito

haciéndolos ligeramente más bastos, y al ligero crecimiento de los granos de la austenita se

convierten en ferrita ligeramente más bastos.

También se observa que para las probetas de suministro (fundido), el valor de

resistencia al impacto es de 53.90 HB, valor muy bajo que los obtenidos con el tratamiento

de recocido en las condiciones de estudio. Debido a que la fundición microestructuralmente

consta de nódulos de grafito (Gn) rodeada de ferrita y perlita (según figura 3.3) característica

de una fundición nodular ferrítica – perlítica tipo ojo de buey.

4.3. De la microestructura

La microestructura de la fundición nodular ASTM A536 en estado de suministro y

recocido a las temperaturas de 800, 850, 900, 950 y 1000°C por 25 horas con enfriamiento

lento (dentro del horno) hasta temperatura ambiente se muestran desde las figuras 3.3

hasta 3.8. La figura 3.3 muestra la microestructura de la fundición nodular ASTM A536 en

estado de suministro (fundido). (a) muestra la microestructura de la fundición gris sin ataque

químico: se observa nódulos de grafito característica de una fundición nodular. Las figuras

(b) y (c) muestran la microestructura de la fundición con ataque químico Nital 2%, la

estructura consta de perlita, nódulos de grafito (Gn) y ferrita que rodea a los nódulos de

(57)

La figura 3.4 y figura 3.5 muestran la microestructura de la fundición nodular recocida a

800 y 850°C respectivamente. Se observa que ambas constan de perlita, ferrita y nódulos de

grafito (Gn) y que la ferrita es mayor para 850°C característica de una fundición ferrito –

perlítica debido a la descomposición parcial de la austenita en ferrita y perlita.

La figura 3.6 muestra la microestructura de la fundición nodular ASTM A536 recocida a

900°C por espacio de 25 horas y enfriamiento lento. Esta muestra una estructura en su

totalidad de ferrita y nódulos de grafito (Gn) característica de una fundición nodular ferrítica,

debido a que a esta temperatura y al tiempo de 25 horas toda la austenita se ha convertido

en ferrita.

La figuras 3.7 y 3.8 muestran la microestructura de la fundición nodular recocidas a 950

y 1000°C respectivamente. Se observa que ambas constan de ferrita (matriz) y nódulos de

grafito (Gn) que se van haciendo más bastas según se incrementa la temperatura de

recocido, debido a que el carbono de la austenita se difunde y se adhiere en los nódulos de

grafito engrosándolos y también los granos de ferrita se hacen más bastos, siendo

Figure

Figura  1.1.  Dibujos  esquemáticos  de  los  cinco  tipos  de  fundiciones  (hierros  fundidos):  (a)
Figura  1.2.  Fundición  nodular  ferrítica  perlítica  grado  80-55-06.  Estructura  típica  de  ojo  de
Figura 1.3. Características mecánicas de las fundiciones con grafito esferoidal en diferentes
Figura  1.4.  Diagrama  de  transformación  de  enfriamiento  continuo  (TEC),  mostrando  los
+7

Referencias

Documento similar

La presencia de cobre en las fundiciones gris con grafito laminar y fundición nodular no es tan fácil como en los aceros la transformación - , a menos que

El tipo de dureza y escala que se utiliza para las materiales bajo tratamientos térmicos es la dureza HRC, y la norma es ASTM E18, esta norma no indica una probeta

Se ha implementado un modelo capaz de representar la evolución de la temperatura y de las fracciones de fase de una fundición nodular durante el proceso de enfriamiento que se

El trabajo tiene como objetivo realizar el proceso de obtención de una fundición nodular del tipo 100 – 70 – 03 para ser empleada en la zapata frotadora del tercer

las aleaciones ASTM A 48 clase 25 (hierro fundido gris) con la fundición aleada del tipo ИЧХ2Н4 (fundición blanca) para ser empleada como material antidesgaste en la.. bomba

titulado “ EFECTO DE LA POSICION DE SOLDEO SOBRE LA DUREZA, RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y DUCTILIDAD EN LA UNION SOLDADA DEL ACERO ASTM A615 MEDIANTE PROCESO

RESÚMEN Se ha estudiado el efecto de la temperatura de carburización en el acero AISI 3215, utilizando como medio difusor 80% viruta de fundición gris y 20% de BaCO 3 por un tiempo

Preparación de probetas De las barras cuadradas fundidas de aleación de cobre – 10% aluminio, se maquinaron las probetas para el ensayo de impacto método Charpy según norma ASTM