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Fabricación de moldes para elaboración industrial de galletas a partir de una fundición de hierro gris

(1)LE FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y a J E G r a O A E S C U E L A. D E. © R A O Ü A D O S. FABRICACION DE MOLDES PARA BJBORACIOIt INDUSTRIAL dE GALLETAS A PARTIR D€ UNA FUNDICION. HflERRO W S. TESIS E N. O P C I O N. A L G R A D O. D E. MAESTRO EN CIENCIAS DE LA INGENIERIA MECANICA CON ESPECIALIDAD EN MATERIALES. PRESENTA MOISES H i NOJOSA RIVERA. M O N T E R R E Y ,. N . L. S E P T I E M B R E. D E. 1991.

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(3) 1020070611.

(4) UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA. ESCUELA DE GRADUADOS. FABRICACION DE MOLDES PARA ELABORACION INDUSTRIAL DE GALLETAS A PARTIR DE UNA FUNDICION DE H'ERRO GRIS. TESIS EN OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS DE LA INGENIERIA MECANICA CON ESPECIALIDAD EN MATERIALES. PRESENTA MOÏSES HINOJOSA RIVERA. MONTERREY. N. L. SEPTIEMBRE DE 1991.

(5) r. m. - M Z F I IMC /. /. FONDO TESJS 1 6 4 G-ÍJ.

(6) UNIVERSIDAD. AUTONOMA DE NUEVO LEON. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA. DE. MECANICA. A PARTIR. ELECTRICA. GRADUADOS. F A B R I C A C I O N DE MOLDES P A R A DE G A L L E T A S. Y. ELABORACION. INDUSTRIAL. DE UNA FUNDICION DE H I E R R O. GRIS. TESIS QUE. PRESENTA. M O I S E S HIÑO J O S A. EN OPCION AL GRADO DE M A E S T R O. RIVERA. EN C I E N C I A S. MECANICA CON E S P E C I A L I D A D EN MONTERREY,. N . L.. DE LA. INGENIERIA. MATERIALES SEPTIEMBRE. DE. 1S>S»1..

(7) ( DR. UBALDO URTIZ MENDEZ ASESOR. DR. SALVADOR VALTIERRA GALLARDO. REVISOR. DR.. lEL COLAS ORTIZ REVISOR.

(8) AGKAL>EClMIhNTuS.. A Dios, por todo. A mis padres por su apoyo, carino y. A ia fIME.. por. brindarme. la. comprensión.. oportunidad. de. realizar. posible. realizar. estudios superiores.. A toaos mis maestros.. Ai CuNACYT gracias a cuyo apoyo me fue mis estudios de postgrado.. A mi asesor, Dr. tibaldo Ortíz Ménaez, por todo su apoyo.. Al Arq. Alfonso CaRamar, de GAMESA.. Al Ing. Luis A. Serna H., oor su ayuda en la. elaboración. de este traba jo.. A. todas. aquellas. personas. que. de. aicjuna. colaboraron en el desarro lio de esta tesis.. manera.

(9) C O N T E N I D O. Paa Resumen.. /. 1.- Introducelón.. tí. 2.- Hierros tundidos.. 9. 2.1.- Generalidades.. 9. ¿ . ¿ . - Clasificación y tipos de nierros tundidos. 2.3.- Composicion química ae. ios hierros rundidos.. 2.3.1. Composici6n química y grafitizacion.. 10 15 16. 2.4.- Proceso de solidificación.. 17. 2.b.- Microestructura. 21. 2.6.- Influencia del azufre, fósforo, manganeso,. 2 7.. ox'geno e hidrógeno.. 22. Influencia de la velocidad de enfriamiento.. 24. 2 8.- Propiedades mecánicas y aplicaciones.. 3.- Hierro fundido gris.. ¿4. 29. 3.1.- Solidificación del hierro qris.. ¿9. 3.2.. 30. Estructura a temperatura ambienta.. 3.3.- Erecto de. la composición química.. 3z. 3.4.- Morroioqía del erranto.. 34. 3.5.. 3b. Sensibilidad ai espesor.. ^ . b . - Clases de hierro aris 3.7.- Propiedades mecénicas y aplicaciones.. 3b 37.

(10) 4.. 3.8.- Maquinabiiidad.. 40. 3.9.- Estábilidad dimensional.. 40. 3.10.- Esfuerzos residuales.. 40. 3.11 - Práctira de maquinado.. 41. ó.La.- Tratamientos térmicos.. 41. Fabricacion de moldes para e 1aboracíoñ. industrla 1. de galletas a partir de una fundición de hierro gris. 43 4.1.- Antecedentes y descripción del probiema.. 43. 4.2.- ODjet3vo.. 44. 4.3.- Procedimiento.. 44. 4.4.- Condiciones de operación.. 45. 4 5.- Especificaciones anteriores.. 45. 4.ò.- Caracterización de ios moiaes.. 4/. 4.0.1.- inspección visual,. 47. 4.6.2.. 5l. 4.7.. Composícion química.. 4.b.3.- Microestructura.. Di. 4.6.4.- Mediciones de dureza.. 55. Discusión.. o6. 4.7.1.- Comparacion entre. ios dilerentes. moldes.. 56. 4.7.¿ .- Moditicaciones propuestas. 4.8.- Resultados de caracterización prueba.. 58. del molde de sy. 4.8.1.- CorriDosíción química.. 59. 4.y.¿.. py. Dureza B r m e i l. promedio..

(11) 4.8.3.- Tratamiento 4 y.4.. 4.9.. térmico.. Microestructura.. Especiricaclones. 4.9.1.- Material. 4.9.2.- Tratamiento térmico de relevado esfuerzos. 4.9.3.- Condicion. 4.10.- Beneficios. suoerticial.. obtenidos.. ¡d . — Conclusiones . Keterencias bibi ocrrár i cas.

(12) RESUMEN. Se caracterizaron diferentes moides de hierro importados. empleados. en. la. e iaboraclón. de. ga11etas,. usando técnicas fundamentales de analisis. Sobre de estos resultados, se hierros. rundidos. y. e s p e c i n carón. procedimientos. de. oris. la. base. composiciones. de. fabricación. de. moldes usando materias primas nacionales y fácilidades de la localidad. Los resu1tados demostraron que obtenidos. seaun. exitosamente. a. nuestras 1 os. especificaciones. anteriormente. condiciones normales de operación.. 1 os. moldes. sustitiyen. importados. en. i as.

(13) I.- INTRODUCCION.. El hierro fundido es uno de los materiales más empleados en. la. costo que. industria.. Su. buena. facilidad. de. fabricación. y. lo. hacen. ser. resistencia,. útil izado. en. son. versatilidad,. algunas de las razones. aplicaciones desde. e1©mentos. estructurales de maquinaria, hasta usos ornamentales. varios. tipos. atención. el. de. hierro. hierro. más frecuentemente. El. presente. gris,. fundido. por. ser. mereciendo. el. bajo. tipo de. Existen. particular. hierro. fundido. utilizado.. trabajo. describe. la. aplicación. de técnicas. básicas de caracterización de materiales para la obtención de especificaciones fabricación galletas. que. son. poder. de. de. materiales. y. emp1eados. en. moldes. procedimientos la. elaboración. La empresa GAMESA utiliza moldes de hierro importados. fabricar. de. Inglaterra. y. satisfactoriamente. Alemania. dichos. de de. fundido. Con objeto de moldes. en. la. localidad. GAMESA auspició un estudio que permitió determinar el tipo particular de hierro fundido, su composición química; asi como su microestructura, dureza y tratamiento. Como resultado de. térmico.. este estudio, se ha logrado. fabricar,. en la localidad, moldes de características equiparables a las de. los. moldes. beneficio. importados.. económico. de suprimir. y. en. Se. ha. tiempos. obtenido de. un. entrega. la importación de los moldes.. significativo como. resultado.

(14) II.- HIERROS FUNDIDOS. 2.1 GENERALIDADES.. Los. hierros. contienen. más. Generalmente etc.. Como. frági 1. de. el. alto. definitiva. y. maleables,. 1. a. carbono. hierro. 4%. fósforo,. mayoría. los. 2.5. variaciones. balance. entre. el. pueden. en. tienen relativamente baja resistencia al. su. general,. forjarse. ni. de sus y. la práctica. Adqui eren En. 4%. carbono. aleantes y variando. colada.. tipos. a. amplias. térmi co.. azufre,. a hacer muy. de. de. que. de silicio.. tiende. contienen. por no. de. la. tratamiento. directamente. ni. de. el. elementos. y. de. manganeso,. fundido,. modificando. vac iado. dúctiles. también. obtenerse. agregando. aleaciones. carbono. comercialmente. Pueden. propiedades. de. de. son. contenido. hierro. manufacturados. silicio,. 2%. contienen. el. carbono.. fundidos. forma no. laminarse. impacto. son y. [ Ref. 1, 2. y 3 ] . Las dependen. propiedades en. componentes. gran. mecánicas. manera. del. térmica. también. i nfluenc iadas. son. cualquier. tipo. microestructural propiedades. es. de. y. la. los y. hierros. distribución. Propiedades capacidad. por. hi erro. la. fundidos. de. físicas. de. amortiguamiento. microestructura.. fundido,. el. grafito. [ Ref. 1 1.. libre.. La. e1. estructura de. libre también influencia. los. como la. En. componente. que tiene el efecto más importante sobre. que rodea al grafito mecánicas. tipo. microestructurales.. conductividad. de. las. la matriz. las propiedades.

(15) 2.2.- CLASIFICACION Y TIPOS DE HIERROS FUNDIDOS. Existen fundidos.. varias. La. forma. clasifica,. según. fractura.. en hierro. manchado. (mottled. No. resulta. química,. ya. sencilla. la. apariencia. la de. los hierros. tradicional, sus. clasificarlos. de. que. los. superficies. de. por composición. composición de los diferentes. fundidos se traslapan,. en muchos casos, una. puede resultar en cualquiera de. los cuatro. (blanco, gris, dúctil o maleable).. mejor. clasificación. se. dividi éndose. as i. mi croestructura,. tres grandes grupos 1.-. es. a. blanco, hierro gris y hi erro atruchado o. los rangos. composición. Una. clasificar. más. satisfactorio. que. tipos básicos. de. iron).. tipos de hierros misma. maneras. Hierros. obt iene. cons iderando fund idos. 1a. 1 os. hierros. en. el. carbono. se encuentra. y. al. ( Ref. 3 ].. en. combinado. los. que. formando. todo. cementita. que. romperse. presentan fractura de hierro blanco. 2. -. Hierros. en. 1 os. que. todo. e1. carbono. se encuentra. libre, en forma de grafito. 3.- Hierros. en. combinado de. los que. parte. A. este. grupo. las fundiciones que se. de. la. contenido. de de. se. encuentra. libre en forma. pertenecen. la mayoría de. fabrican.. tipos de hierros. interacción. carbono,. carbono. formando cementita y parte. grafito.. Los diversos. del. variables aleantes. fundidos son el. tales e. como. resultado. el. contenido de. impurezas,. velocidad de.

(16) enfriamiento, tratamiento térmico, etc. A continuación se dan definiciones de los di ferentes t i pos de hi erro fund ido [ Re f. 1, 2 y 3 ] . Hierro gris.- Hierro de composición química de. solidificar,. distribuida. una. gran. como grafito. parte. de. tal que, después su. carbono. en forma de hojuelas.. una superficie de fractura de color gris. carbono se encuentra. cernent i ta.Presenta. combinado. una. solidificar,. químicamente. superficie. Presenta. (Fotos 5-11).. Hi erro blanco.-Hierro de compos ición tal que, al el. queda. blanca al. formando. fracturarse. (Fig.I). Hierro. atruchado. o. compos ición. (mottled. manchado. intermedia. que. iron).-. Hierro. solidifica pare ia 1mente como. hierro blanco y parcialmente como hierro gris Hierro. enfriado. rápidamente. normalmente como. hierro. rápidamente Hierro. blanco. iron).-. (Fig.II). Hierro. como gris pero que. en. partes. donde. Hierro. por. con. tratamiento. ductilidad térmico. un hierro blanco de composición. como "carbono revenido" nodular.-. hierro fundido,. solidifica. es. o. enfriado. maleabilidad,. (maleabi1ización) de. adecuada.. El carbono se. presenta como partículas redondas irregulares,. Hierro. que. ("templado").. maleable.-. producido. (chi1led. solidificaría. de. que con. También recibe una. otro agente que. (Fig.III).. conocido un. conocidas. como. tratamiento. pequeña. adición. hierro especial. de. dúctil. Es en estado. magnesio, cerio u. provoque que una gran parte del. carbono.

(17) adopte. la forma de esferoides de grafito. La ductilidad. se obtiene como resultado de la nódulos de grafito Hierro. aleado.- Este. etc;. en. (Fig.IV).. tipo de hierro. porcentajes. propiedades comunicarles. mecánicas alguna. forma esferoidal de los. contiene Ni. Cr, Mo, Cu,. suficientes de. para. los hierros. otra. propiedad. mejorar. ordinarios. especial,. las. o para. como. alta. resistencia a la corrosión, al calor, etc. Hierro de grafito con. compactado. estructura. hierro. nodular.. (hierro vermicular).- Es hierro. intermedia Se. entre. caracteriza. las. del. porque. el. hierro gris y grafito está. interconectado dentro de celdas eutécticas. Este tipo de hierro se obtiene por medio de un proceso muy similar al empleado en hierro nodular..

(18) FIG.I.- Hicroestruotura de hierro blanco. Se observan agrupomi^ntos p s e u d o e u t é r n c o s de puequeiias partículas de périita sobre nn fondo d* i ®inf»ot i r.a. Ins grandees ipaso» negras son perl i ta. FIG.II.Hierro atruchado. A microestructura e s de hierro g n s y hierro bianco.. la a. izquierda la la aes^cha. de. FIG.III.- Nodulos d e grafito en m a t r i z rerritica —hier?«* maleable.. en. un.

(19) rji<.2</.- Hierro nodular. Se k U . t e un ronao a« per i ita y. observa rerrita.. F,(i.V.- hierro noáuiar en el que «ífc'ri ociure ojo «i*? uuey '.. se. grafito. esferoidal. aprecia. la. . It'.v" Eutettico e.stLeudiu--an nn M u r r o grj.a c>.<iitiiuao do fósforo.. con. típica. aito—.

(20) 2.3.- COMPOSICION QUIMICA DE HIERROS FUNDIDOS. En algunos. la. tabla. hierros. composición Fig.. I. diferentes tipos. dan. fundidos.. respecto. 1 . Nótese. se. los. al. los Una. límites visión. carbono y. traslapes. de. de de. silicio las. composición de los. se. rangos. ilustra. composiciones. en. de la. de los. ( Ref. 2 ].. Tabla I.. H.blanco * H. gris alta (maleable) resistencia. Elemento. H. gris. H.nodular**. Carbono. 2.5-4.0. 1.8-3.6. 2.8-3.3. 3.0-4.0. Silicio. 1.0-3.0. 0.5-1.9. 1.4-2.0. 1.8-2.8. Manganeso. 0.4-1 .0. 0.25-.80. 0.5-0.8. 0.15-0.90. Fósforo. 0.05-0.25. 0.06-0.20. 0.12 max. 0 .03. Azufre. 0.05-1 .0. 0.06-0.18. 0.15 max. 0 .10. * Tales compos ic iones pueden ser convert idas a hierro J. maleable por tratamiento térmico.. j. |** Por requerimiento de proceso contienen de 0.01 a 0.10%. J. I. I. de Mg..

(21) %c 5. 4. -. 3. —. Hierros grises. H. »— • blancos 2. —. 1. —. Aceros. 2. 1. 3. 4. 5. % de Si. Fig. 1 Contenidos en carbono y en sil icio correspondientes a las hi erros grises, a las hierros blancos y a los aceros.. 2.3.1.- COMPOSICION QUIMICA Y GRAFITIZACION.. Los. contenidos. naturaleza. de. los. de. carbono. hierros. y. silicio. fundidos.. influyen. Para. en. la. simplificar el. efecto de ambos e1ementos en el proceso de solidificación se utiliza el concepto de carbono equivalente CE. =. %. C. (CE) :. + ( % Si / 3 ). ó; en forma más precisa, considerando el efecto del fósforo : CE. -. %. C. + ( % S i + % P ) / 3. Hierros con CE igual a 4.3 son considerados. eutécticos.. Hierros con CE menor a 4.3 son considerados hipoeutécti eos. Hierros con CE mayor a 4.3 son considerados. hipereutécticos..

(22) Tanto el carbono. como el. silicio promueven. la formación. de grafito al aumentar su porcentaje en el hierro. Grafitización es el proceso por el cual el carbono es precipitado la. cementita. porcentaje. en el hierro,. pasa. a. aumenta. la. silicio. provoca que. fig.. 1,. variados. para. de. grafitización.. La. presencia del. el carburo de hierro sea más inestable y. contenidos obtener. la. de. carbono. hierro. Otra variable que debe es. (grafito). Al aumentar el. 1 a formación de 1 grafito. Como puede verse en la. los. tización,. libre. en un hierro, especialmente sobre 2.0,. factibilidad. así favorece. o bien, el carbono combinado en. carbono. de carbono. 1ibre. gris. o. y. silicio. pueden. blanco según se quiera.. considerarse, ya que afecta. velocidad. de. ser. enfriamento. espesor de las piezas y del tipo de molde). (que. la grafi-. depende. del. { Ref. 1, 2, 3 ].. 2.4.- PROCESO DE SOLIDIFICACION.. Las. diferencias. fundidos. quedan. solidificación.. entre. los. diferentes. establecidas En. rigor,. el. en. tipos. gran. medida. proceso .de. de. hierros. durante. la. solidificación debe. ana 1 i zarse ut i 1 izando el di agrama de equi1ibrio ternario Fe C - Si. Sin embargo, con Con. ayuda. de. un. referencia. enfriami ento. las. diagrama a de. este un. ideas esenciales pueden describirse s imp 1 i f icado diagrama, hierro. de. describirse en las siguientes etapas :. como el de la Fig. 2. la. solidificación. compos i c ión. A,. y. puede.

(23) FIG. 2.

(24) Al. enfriarse. el. solidificación. hierro. empieza. en. en. estado. el. punto. dendritas de austenita y crecen hasta punto. 2,. eutèctica.. fundido,. liquido. 1.. Se. la. forman. que se alcanza el. donde. el. alcanza. la. composición. Cuando. la composición es eutèctica. este paso. no se presenta. Al continuar el enfriamiento, comienza eutèctica. mezcla. de. graf i to. como. El. sólido. austenita Cuando. blaneo.. solidificar. como. graf i to. el. si. enfriamiento altas. y. se. Si. se. de. descender. forma. contenido lento.. carburo. la. de. o. temperatura. hierro puede Se. es. formará. alto. contenidos. de. y/o. el. el. silicio y. favorecerán. (hierro. hasta. y. solidifica. nodular.. austenita. ser una. austenita. el. enfriamiento. y. o. hierro. silicio. Bajos. de. el. graf ito,. gris. puede. hierro. carburo,. hierro. es. formado. carburo de. forma. velocidades. formación. eutèctico. la solidificación. la. blanco). Al punto. 3. la. resulta. en. la. solidificación es completa. El. enfriamiento. precipitación puesto. que. disminuye hasta. entre. del la. puntos. carbono. 2.0. 0.6. y. %. al. 0.8. %. 3 y. presente. solubilidad. desde. entre. los. del. en. la. carbono. final en. 4. de. el. la. punto. austenita,. en austenita. solidificación, 4.. El exceso de. carbono precipita como carburo en hierros blancos y como grafito en hierro gris o nodular. Entre estado. los. puntos. sólido.. La. 4. y. 5 ocurre. austenita. se. el. cambio. final,. ya en. transforma. en una. forma.

(25) algo. compleja.. grafitización, nodulares.. Con. grafitización, perlita.. En. ferrita. y. alrededor. se. condiciones. forma. ferrita. condiciones se. forma. hierro perlita. de. Bajo. los. en. menos. ferrita. nodular,. y. se. hierros. perlita. como de. de. grises y. favorables. forman. conocidas esferoides. favorables. para. o sólamente. estructuras de. "ojos. grafito. de. buey". (Fig.V). En. hierros blancos solo se forma per1 ita. 5.-. Enfriamiento. posterior. hasta. la. produce poco cambio en el hierro.. temperatura. ambiente.

(26) 2.5.- MICROESTRUCTURA.. Las. propiedades. de. cualquier. parte de su microestructura. metal. dependen. en gran. . A continuación se describen. los. componentes microestructurales que aparecen en los diferentes tipos de hierros fundidos. [ Ref. 1. 2. 3 y 4 ].. La apariencia de estos componentes puede verse en las figuras I a VI, en páginas Grafito.-Es una algunas. anteriores.. forma elemental. clases. influencia. de. en. del. fundiciones sus. Se presenta en. carbono. ,. teniendo. propiedades.. importante. Estas. dependen. fundamentalmente de la forma del grafito, de su tamaño , cantidad. y. hojuelas. (hierro. nodular,. hierro. ductilidad grafito.. distribución. del. gris),. .. nódulos. maleable) hierro. Puede. gris. El grafito mejora. u. adoptar. o. esferoides. otras. se. forma. formas.. debe. a. las. de. (hierro La. nula. hojuelas de. la resistencia al desgaste y. a la corrosión. Cementita.-. Es. carburo. de. hierro.. Es. muy. duro. y. El carbono forma cementita hasta una cantidad veces. el. blanco. contenido. con. cementita,. 2.5%. C. contendrá. alrededor. ferríta contener. libre en. o. como. solución. el. muy. cua 1. componente cantidades. duro. 37.5%. de. la perlita.. alfa,. será. de. cementita aparece también como componente de hierro. que. carbono. Asi, un hierro. frágil. La. Es. lo. peso del. igual a 15. y. Ferrita.-. por. en. frágil.. puede de. presentarse la. perlita.. importantes. de. como Suele. silicio.

(27) que aumentan su dureza y Perlita.- Es una mezcla de láminas. alternas.. moderada. y. presencia. del. ferrita y cementita arregladas en. La. posee. resistencia.. perlita. cierta. silicio,. es. resistente,. ductibi1idad.. el. contenido. de. Debido. a. la. carbono. de. la. perlita en hierro fundido es inferior al de Esteadita.-. Es. un. compuesto. de. de dureza. naturaleza. los aceros. eutèctica que. aparece en los hierros de alto contenido en fósforo 0.15%). Es muy duro y frágil Ledeburita.- Es el eutèctico que. (P >. (Fig.VI). se forma en el. enfriamiento. de los hierros fundidos. Está formado por 52% carburo de hierro y 48% austenita. No existe a temperatura en. hierros. se. transforma. pueden. ordinarios, en. conocer. debido. cementita. 1 as. 2onas. y. a que. en el. perlita.. donde. ambiente. enfriamiento. Sin embargo, se. existió. por el aspecto. eutèctico. con que quedan esas agrupaciones de perlita y. cementita. (Fig.VI).. Austenita.-. Es. hierro. gamma. enfriamiento. se. mezcla. ambas.. de. con. transforma A. carbono a. en. perlita,. temperatura. solución. ferrita ambiente,. En. el. o a una puede. presentarse en hierros aleados.. 2.6.- INFLUENCIA DEL AZUFRE, FOSFORO, MANGANESO, OXIGENO E HIDROGENO EN LOS HIERROS FUNDIDOS.. La. influencia del. hidrógeno. sobre. azufre,. fósforo, manganeso,. la microestructura de. oxígeno e. los hierros se detalla.

(28) a continuación Azufre.1a. Se. [ Ref. 3).. opone. a. formación. la grafitización de. cernentita.. para. formar. compuesto de baja. contenidos. de azufre. Tiende a reaccionar con el. sulfuro. de. fusión aumenta. haya fisuras a altas. favorece. Los. suelen variar de 0.01 a 0.2%. hierro. del carbono y. hierro. (FeS).. Este. la probabi1idad de que. temperaturas.. Manganeso.- Se opone a la grafitización del carbono, t i ende a blanquear azufre (MnS). los. que e. hierros.. el. Ti ene. hierro,. impidiendo. la. mayor. formando formación. af inidad. sulfuro de. por el. de manganeso. FeS.. Los. hierros. contienen de 0.4 a 1.5% de Mn. Fósforo.- Se añade a veces intencionalmente para favorecer la fluidez.. Su. fragilidad. presencia. y. dureza.. da. lugar. Forma. el. a. un. aumento. eutèctico. de. la. esteadita, que. aparece siempre en las uniones de los granos, ya que por su bajo punto de. fusión, este. los. constituyentes. de. fósforo. es. que. de,. solidifica.. por. elevados,. hasta. Un. ejemplo,. contenidos más bajos cuando más. eutèctico es el último de contenido. 0.15%;. se. normal emplean. se desea alta resistencia y. 1.5%,. cuando. se. desea. alta. colabi1idad. Oxigeno.-. Es. un. antigrafitizante. oxígeno. en. los hierros. enérgico.. suele. variar. Con altos contenidos de oxígeno mucho,. se producen rechupes. El. porcentaje de. de 0.002 a 0.020%.. la colabilidad. importantes y. puede sufrir sensibles modificaciones.. disminuye. la estructura.

(29) Hidrógeno.-. Se. presenta. porosidades. en. importante. porcentaje en. La de. silicio. como. las. impureza. piezas. cuando. solubilidad del silicio.. suelen. Por. ser. gaseosa,. lugar. porcentaje. hidrógeno aumenta. ello,. más. el. da. las. que. las. es. con el. fundiciones. porosas. a. altas. de. bajo. contenido en silicio.. 2.7.-. INFLUENCIA. DE. LA. VELOCIDAD. DE. ENFRIAMIENTO. EN. LOS. HIERROS FUNDIDOS.. La velocidad de enfriamiento es otro en. la. calidad. Depende. del. empleado. b1 anco,. microestructura. espesor. de. las. Enfriamientos. mientras. grafitización Los. y. y,. espesores. que por. piezas. rápidos. 1 os. se. y. los. hierros. de. la. tienden. enfriamientos. lo tanto,. pequeños. de. factor que. a. influye. fundidos.. clase. de molde. producir hierro. 1entos. favorecen la. la obtención de hierro gris.. enfrian mucho. más rápidamente. que. los grandes. Un molde rnetálico enfría más rápidamente que un molde de arena. [ Ref. 1. 6 ].. 2.8.- PROPIEDADES MECANICAS Y APLICACIONES.. Las. prop i edades. hierro. varían. mismo. tipo. debido estas. a. dentro. presentan. diferencias. razones. no. mecáni cas de. rangos grandes. en. resulta. su. de muy. los. tipos de. amp1 ios. Aún hierros de 1. variaciones. estructura. fácil. diferentes. y. englobar. en. propiedades. composición. las. Por. propiedades.

(30) mecánicas. de. los. hierros. familia de hierros. fundidos. fundidos debe. .. Cada. miembro. considerarse. de. la. como una serie. de aleaciones con su propio rango de propiedades. A continuación se exponen algunas generalidades a las propiedades mecánicas de. los hierros fundidos. respecto [ Ref. 1,. 3,51. Hierro. blanco.-. El. uso. principal. del. hierro. blanco. es. como. materia prima para elaborar hierro maleable. Algunos alta. dureza. consta. de. hierros y. blancos. resistencia. perlita. y. se. al. un gran. utilizan desgaste.. como. tales por su. Su microestructura. porcentaje de cementita, por lo. que presenta durezas de 350 a 600 BHN o más. Dureza Brinell. 350 - 600. Resistencia tensil. 20,000 a 70,000. lb/pulg 2 .. Módulo elástico 24 a 28 x 1 millón Usos. :. Camisas. para. mezc1 adores. de. lb/pulg2.. cemento,. boqui11 as de. extrusión, bolas de trituración, etc. Hierro maleable.- Con el tratamiento térmico de maleabiliza c ión. , el. compactos como. carbono que. resultado. actúan como explica. no. rompen. una. como la. buena. lubricante de. en. forma. continuidad. de. la matriz,. ductilidad.. Los. de. nódu1 os dando. nódulos de grafito. las herramientas. de 1. maleables. de. tratamiento matriz. propiedades muy diferentes. pueden. grafi to. de corte, lo cual. la alta maquinabi1idad del hierro maleable.. Dependiendo hierros. queda. -. convert irse. a. térmico,. perlítica. pueden o. ferrí 11ca,. Los hierros maleables. martens iticos. por. obtenerse con. perlíticos. tratamiento. térmico.

(31) posterior. obtienen. Debido por. a. que. tratamiento. todos. los. térmico,. hierros. sus. maleables se. propieades. son muy. uniformes en las piezas. Los. principales. industria. usuarios. automotriz. y. la. del. hierro. industria. de. maleable. equipo. son la. agrícola. y. construcción de maquinaria. La. Tabla. II. muestra. propiedades. de. varios. tipos. de. hierros maleables.. Resistencia Esfuerzo de Elongación Dureza tensil mín. cedencia mín. mínima Brinel1 psi psi % en 2 pul Típica. Ferríticos ma 1eables 35018 32510 Perliticos ma leables 45010 50007 80002. 53,000 50,000. 35,000 32,500. 18.0 10. 110-145 110-145. 65,000 75,000 100,000. 45,000 50,000 80,000. 10 7 2. 163-207 179-228 241-269. jTabla II.-Propiedades de varios tipos de hierros maleables.j. Hierro. qris.-. Sus. propiedades. y. aplicaciones. se exponen más. adelante. Hierro. nodular.-. Esta. ventajas. del. fluidez,. excelente. desgaste). con. hierro. las. gris. matriz. de. (bajo. aleaciones punto. maquinabi1 idad. y. ventajas. acero. tenacidad, ductilidad, La. familia. puede. del. de. buena. combina. fusión,. las. buena. resistencia. al. (alta resistencia,. etc.). ser. controlada. por. la composición,.

(32) práctica. de. vaciado. y/o. tratamiento. desde hierros con resistencia mínima y. térmico. para. a tensión de 60,000 psi. 25% de elongación hasta hierros con resistencia de. psi y 1% de La hierros. producir. 150.000. elongación.. Tabla. III. resume. propiedades. y. aplicaciones. de. nodulares.. Grado o c lase. Dureza HB. 143-147. 60-40-18. 80-55-06 120-90-02 (martensítico). D5506. 187-255. Grado o C1 ase. Resistencia tensi1 MPa Ksi. Esfuerzo cedenci a MPa Ksi. Elongación mínima en 2 pul. (*). 414. 60. 276. 40. 18. 552. 80. 379. 55. 6. 827. 120. 621. 90. 2. 552. 80. 379. 55. 6. Apiicaciones típicas. 60-40-18. Válvulas para vapor y plantas químicas.. 80-55-06. Cigüeñales,. 120-90-02 (martensítico). D5506. Piñones,. engranes.. engranes.. Cigüeñales.. Tabla III.-Propiedades mecánicas y aplicaciones típicas de algunos tipos estándar de hierro nodular..

(33) Hierros. aleados.-. especiales la. para. hierros. aplicaciones. corrosión,. excepcional. Los. al. calor,. aleados. poseen. especificas. como. desgaste. cuando. al. resistencia mecánica.. o. Su rango de. tan amplio que aqui solo se comentan algunas Los pequeños alta este. hi erros. de. porcentajes. resistencia grupo. resistentes. se. a. baja de. y. Ni,. media. resistencia. a. se requiere. propiedades es. generalidades.. aleación,. que. contienen. Cr,. Mo. y Cu, son fundiciones de. la tracción,. de. 35,000. encuentran. al. propiedades. calor. y. hierros hierros. con. a. 1. 71,000. a. 2%. psi. En. de. martensíticos. cromo,. de. alta. resistencia al desgaste. Los hierros de alta aleación son, en general, de muy alta resistencia al calor y a la corrosión. La Tabla IV muestra. las composiciones de algunos hierros. aleados de alta resistencia, asi como ejemplos de aplicación.. Composición. ( % ). Si. Mn. Cr. Cu. Mo. Ni. 3. 25. 2.2. 0.6. 0.5. 1. 0. 1 .0. 0.2. Tambores de freno. 3.3. 2. 25. 0 .65. 0.30. Cigüeña les. 1.5. 0.95. 0.70. 0.45. Bancadas de máquinas. 3.3. 1.6. 0.6. 0 . 25. —. 0 .20. 1.00. 3.1. 0.6. 0.2. 0.4. —. 0.4. 3.5. Apiicación. Camisas de ci 1 indros de motores automotric.. Rodi1 los de laminación en caliente. C. —. 1.75. Tabla IV.- Composiciones de algunos hierros. —. —. aleados.. 0.25. —.

(34) III.- HIERRO FUNDIDO GRIS.. Una. característica. distintiva del. hierro gris. es que en. el todo el carbono, o una importante parte, se encuentra como grafito. en. mecánicas. forma. del. respondiendo. de. hierro a. hojuelas. gris. Las. varían. factores. como. propiedades. dentro la. de. espesor. de. de las. grafito, piezas,. naturaleza práctica. de. de. amplios. composición. ve 1ocidad de enfriamiento, microestructura, las hojuelas. físicas y rangos. química,. forma y tamaño de. la matriz,. vaciado. y. tamaño. y. tratamiento. térmico. 3.1.~ SOLIDIFICACION DEL HIERRO GRIS.. La mi croestructura y determinadas,. en. solidificación, necesaria. gran. Para. la. que. presencia. propiedades de 1 hierro gris quedan medida, el. durante. hierro. de. el. solidifique. elementos. proceso. de. como gris es. grafitizantes.. contenido de silicio es el factor más importante que. El. promueve. la grafitización. El proceso de grafitización puede dividirse en tres etapas: 1.- Grafitización durante 2.-. Grafitización. por. la solidificación. precipitación. del. carbono. en. exceso en austenita. 3.- Grafitización durante. la transformación. En un hierro gris hipereutéctico equivalente,. C.E.),. la. precipitación. de grafito. (en términos de carbono. solidificación en el metal. eutectoide.. empieza. liquido. con. la. (grafito kish)..

(35) Este hacia 1a. graf ito. crece. la superficie. temperatura,. como. debido. el. hojue1 as. a su. líquido. que. tienden. a. subir. baja densidad. Al descender. restante. solidifica. como una. estructura eutèctica de austeni ta y graf ito. Generalmente, el grafito eutèctico es más fino que el grafito kish. En con. la. un. hierro. formación. temperatura, de. hipoeutéctico, de. 1 as. carbono.. dendritas. Al. la. y. solidificación. solidificación. austenita. Al descender la. el. y. el. líquido se enri quece. contenido. En se. aleaciones. de. manifiesta. posterior. sin. provoca. carbono en exceso en austenita.. composición. temperatura. la. formac ión. de. proeutècticos.. Enfriami ento. productos. y. compos ición eutèctica. 3.2.- ESTRUCTURA A TEMPERATURA. eutectoide. empieza. la solidificación de la mezcla eutèctica de. graf ito.. constituyentes. de. crecen. alcanzarse. eutèctica empieza austenita. dendritas. la. se. presenta. dependen de. la. de. una la. austenita.. Al. 1a. prec i pi tac ión. alcanzarse. nueva velocidad Bajo. AMBIENTE.. la temperatura. transformación de. de 1. cuyos. enfriamiento. condiciones. y. normales, la. austenita se transforma a perlita o a ferrita y grafito. La transformación a ferrita es favorecida a). Enfriamiento. lento,. migración del. carbono.. que. permite. mayor. b) Altos contenidos de silicio, que promueven grafito.. por: tiempo. para. la. la formación de.

(36) c) Altos valores de C.E. d). La. presencia. de. hojuelas. finas. de. grafito. (tipo D). subenfriadas. Cuando. se. tienen. bajos. val ores de. enfriamiento es alta, se favorece algunos ferrita,. casos. la. perlita. especialmente. en. la formación de perlita. En. microestructura y. grafito.. hierros. estructuras martensíticas. C.E. o la rapidez de. contiene. Con. aleados,. ( Ref. 1 ].. las. ciertas es. tres. fases:. composiciones,. posible. obtener.

(37) 3.3.- EFECTO DE LA COMPOSICION. QUIMICA. A continuación se describe brevemente el efecto sobre la microestructura, el hierro gris. de. los principales elementos encontrados. en. [ Ref. 1, 2, 3, 4 ].. Carbono.- Los hierros grises contienen, típicamente, de 2.5 a 4.5%. de. carbono. graf ito. en. tota 1.. El. las hojuelas,. carbono. o. bien,. puede. encontrarse. combinado en la cernenti ta.. El grado de grafitización puede expresarse % carbono total = % grafito + % carbono Si grises. la grafitizaión. es. como. completa,. como. como:. combinado. ocurre en hierros. ferriticos, e 1 porcentaje de carbono tota 1 será. igual. al porcentaje de grafito. Porcentajes generalmente. de. carbono. indican. que. la. combinado. de. 0.5. estructura. de. la. a. 0.8%. matriz es. principalmente per 1ítica. Para que un hierro solidifique como gris es necesario un contenido. mínimo. de. carbono. total,. alrededor. de 2.2%, pero. este valor depende del contenido de silicio. Silicio.- Se encuentra hierro. gris.. disuelto. en. presente en cantidades de 1 a 3.5% en. Microestructuralmente, la. ferrita.. La. cantidad. el. silicio. también perlita. con. el. sistema. tiene efecto en. un. estable. sobre. hierro. solamente 0.60% de carbono.. la solidificación de. hierro-grafito.. la transformación. gris. con. 2%. encuentra. de silicio tiene efecto. sobre la solidificación, ya que favorece acuerdo. se. de. Si. El silicio. eutectoide. puede. La. contener.

(38) Azufre. y_ Manganeso. -. presente. en. El. cant idades. azufre de. restringe la grafitización El. azufre. manganeso. forma se. FeS,. forma. distribuidas. al. estabilizador. del. para regular 1.-. 1.7. hasta. azar.. es. que. 0.25%.. gr is. Es. un. i ndeseable.. aparece. Sólo,. carburo.. hierro. puede estar el emento que. (estabiliza el carburo de hierro).. que. MnS,. en. el. Las. En. presene i a. de. en forma de ine 1usiones. manganeso. siguientes. también. reglas. es un. se aplican. las interacciones entre estos elementos:. (%S). =. %Mn;. Porcentaje. estequiométrico para. formar. MnS. 2.- 1.7. (%S) + 0.15 = %Mn; Porcentajes de Mn que favorece la. formación de un máximo de ferrita y un mínimo de perlita. 3.-. 3. (%S) +. 0.35. estructura. = %Mn;. la. de. Mn que resultará en. periítica.. Fósforo.- Se encuentra Provoca. Porcentaje. formación. presente en cantidades de 0.1 a 0.9%. de. esteadita,. que. es. un. eutèctico. ternario duro y frágil. La presencia de esteadita hace frágil al hierro fundido, de manera que el contenido de fósforo debe ser. controlado. óptimas.. El. ocasionalmente compiicadas.. cuidadosamente. fósforo es. si. incrementa añadido. la. cuando. se. desean. fluidez, se. propiedades por. fabrican. lo. que. formas.

(39) 3.4.- MORFOLOGIA DEL GRAFITO.. En. el. diferentes hojuelas hojuela ASTM. hierro ti pos. según se. gris,. o. patrones.. la. norma. determina. que muestran. diferentes. a. las. por. hojuelas La. ASTM. Fig. A247. 100. aumentos.. de. En. grafito. 3 muestra [Ref.l].. comparación. la apariencia. de. con. ocho la. adoptan. 1 os t i pos de. El. tamaño. de. patrones de tamaño tamaños. Tabla. V. de. hojuela. aparece. la. asignación de números. Las hojuelas prefieren grandes. para. la. A, de. mayoría. interrumpen. reduciendo El. tipo. de. seriamente. las. pequeño, son las que se. aplicaciones. Los tamaños. 1a. continuidad. de. la matriz,. la resistencia y la ductilidad del hierro gris.. mejor. distribución. método de. las. para. reducir. hojuelas. inoculantes de ferrosilicio Las. tamaño. hojuelas. tipo. de. e1. tamaño. grafito. y. mejorar. 1a. es. la adición de. de. enfriamientos. [ Ref 6, 7 ],. B. son. típicas. rápidos. Las. hojuelas. tipo. que se forma en hierros. C. son. consecuencia. hipereutécticos.. del grafito kish.

(40) s y ¡ujos; W ^-. vm. ' Tipo B. Tipo c. —' - ' Tipo A * ^ ^. ri «S/J-*-'^' l'l < lssA*" - •. "i V , ' .. yAv' .Vi' ,. r/^WpeD. Fig.. 3. .-Di ferentes. V - ''. clases. Tipo E. de. grafito. que. suelen. aparecer en las fundiciones.. Número de Tamaño AFS-ASTM. Longitud de las hojuelas más largas a 100 x. Pulg.. 1 2 3 4 5 6 7 8. MM.. 4 ó más 2 - 4 1 - 2 1/2-1 1/4 - 1/2 1/8-1/4 1/16 - 1/8. .. .. 128 64 32 16 8 4 2 1. Tabla V.- Tamaños de hojuela ASTM.. Los tipos D y E aparecen en hierros de bajo contenido de carbono y alta temperatura de. colada. como consecuencia de un. fenómeno de subenfri amiento. Estas estructuras indeseables, perlít ica.. ya. que. dificultan. la. obtención. se cons ideran de. una. matriz.

(41) 3.5.- SENSIBILIDAD AL ESPESOR.. La. rapidez. influenciada. por. de. enfriamiento. el. espesor. del. de. las. metal. vaciado. piezas.. Espesores. está muy. delgados quedan sometidos a enfriamientos. rápidos que pueden. producir. de. habla. hierro. de. un. blanco.. espesor. formación de carburo. Para. cada. mínimo. clase. recomendado. hierro para. gris se. evitar. la. [ Ref. 1, 3 ).. 3.6.- CLASES DE HIERRO GRIS.. La. especificación. ASTM. simple de los hierros grises "clases", son:. según. su. 20,. 25,. clase. no considera En. 60. 35,. una. clasificación. [Ref.11. Se les divide en varias. resistencia 30,. establece. tensil. expresada. 40, 50 y 60. Esta. en ksi. que. especificación. la composición química.. general,. propiedades. A48. se. puede. afirmarse. incrementan al ascender. que la. las. siguientes. "clase" desde 20 a. [ Ref. 1 1. . La resistencia mecánica . El módulo. general.. elástico.. . La capacidad de obtener un fino acabado maquinado. . La resistencia al desgaste. Las. s iguientes. propiedades. disminuyen. clase. . Maquinabi1idad. . La resistencia al choque. térmico.. a1. ascender. 1a.

(42) . La capacidad de amortiguamiento La. especi f icación. SAE. requerimientos más específicos. Grado SAE G1800 G2500 G3000 G4000. C 4-3 2-3 1-3 0-3. 3 3 3 3. Tabla VI. J431. capacity).. [Ref. 1]. describe. (Tabla VI ).. Mn 7 5 4 3. (damping. P. Si. 0 .5-0 .8 0 .6-0 .9 0 .6-0 . 9 0 .7-1 .0. 2 .8-2 2 .4-2 2 .3-1 2 . 1-1. 3 0 90 80. S. 0 . 15 0. 12 0. 10 0 . 07. 0 . 15 0. 15 0 . 15 0.15. . Composiciones de algunos hierro grises. automotrices SAE J431.. 3.7.- PROPIEDADES MECANICAS Y APLICACIONES.. Las. propiedades. ampliamente.. dependiendo. microestructura. rangos. de. mecánicas. Como. dureza. microestructuras. en. ejemplo, para. de. los hierros gran. a. grises varían. medida. continuación. varias. de se. Mi croestructuras. dan los. combinaciones. ( Ref. 6 ]: Dureza HB. Ferrita + grafito. 110 - 140. Perlita + grafito. 200 - 260. Perlita + grafito + carburo masivo. 300 - 450. Bainita + grafito. 260 - 350. Martensita revenido + grafito. 350 - 550. Austenita + grafito. 140 - 160. su. de.

(43) Algunas. propiedades. mecánicas. típicas. de. los. hierros. grises, según la clasificación ASTM se dan en la Tabla VII.. C1 ase ASTM. Resistencia tensi1 MPa Psi. 20 25 30 35 40 50 60. Clase ASTM 20 25 30 35 40 50 60. 152 179 214 252 293 362 431. Resistencia a compresión MPa Psi 572 669 752 855 965 1130 1293. 22 26 31 36 .5 42. 5 52.5 62.5. Dureza HB 156 174 210 212 235 262 302. GPa. 83 97 109 124 140 164 187. 5. Módu1 o Elástico 1 ,000,000 psi. 27-39 32-41 36-45 40-48 44-54 50-55 54-59. 3.9-5.6 4.6-6.0 5.2-6.6 5.8-6.9 6.4-7.8 7.2-8.0 7.8-8.5. Tabla VII.. Las propiedades de algunos hierros. SAE J431 se dan en la. Tabla VIII.. Grado SAE G1800 G2500 G3000 G4000. Dureza HB 187 máx 170 - 229 187 - 241 217 - 269. Resistencia tensi1 mínima MPa ksi 118 173 207 276. Tabla VIII - Propiedades de hierros SAE J431.. 18 25 30 40.

(44) Las aplicaciones del hierro gris son múltiples, se. le considera. vac iado,. debido. metal cuando En. primero a. su. cuando. bajo. se. costo.. va a seleccionar un metal So lo. se. selecciona otro. las propiedades del hierro gris son. particular,. los hierros. automotrices. específicas como las siguientes. siempre. tienen. inadecuadas. aplicaciones. (Ref 1]:. G1800.- Aplicaciones diversas en partes que no requieren gran resistencia. G3000.-. Monoblocks. automotriees.. pistones, tambores. cabezas. de. cilindros,. de freno, platos de embrague, ete.. G4000.- Cilindros, pistones, árboles de. levas, etc..

(45) 3.8.- MAQUINABILIDAD. La. mayori a. maquinabi1idad superan. de. que. a muchos. debido. a. que. las. como. 1ubri cante. maquinabi1idad una. matri z. los. otros. aceros. hierros hierros. en. hojuelas de. puede. de. las. de. [ Ref.. poseen. similar. superior. dureza.. También. importante aspecto. Esto es. grafito del hierro gris actúan herrami entas. ser mejorada. comp1etámente. dureza y resistencia. este. grises. por. de. recocido,. ferrítica,. aunque. corte.. La. obteniéndose se. sacrifica. 1, 2. 3 ] .. 3.9.- ESTABILIDAD DIMENSIONAL.. En piezas que requieren buena estabilidad dimensiona1 necesario. considerar. temperaturas. la. superiores. a. temperatura 480. "C,. el. de. operación.. hierro. gris. es A. sufre un. hinchamiento que puede ser evitado usando hierros aleados. con. 1% de cromo. A temperaturas causar. inestabi1idad. inferiores. a 480. d imensi ona1:. 'C, dos factores. Esfuerzos. residuales. pueden y. la. práctica de maquinado.. 3.10.- ESFUERZOS RESIDUALES.. Todas. las. piezas. en. condición. esfuerzos residuales, que son causados 1.- Diferentes. velocidades. de. de. vaciado. presentan. por:. enfriamiento. en. distintas.

(46) zonas del molde. las contracciones del metal. 2.- Resistencia del molde a durante el 3. -. Algunos. enfriamiento.. métodos. de. 1 impieza,. como. 1 os. chorros. de. arena. Las piezas dimensional. fundidas que requieren. son. sometidas. a. excepcional. tratamiento. de esfuerzos antes de ser maquinadas. térmico. precisión. de re 1 evado. [ Ref. 1, 3, 8 ].. 3.11.- PRACTICA DE MAQUINADO.. En los. la condición. esfuerzos. partes. de. fuerzas. de. de. compresión. la superficie se. distorsión. altera será. vaciado,. y. más. están. durante puede. evidente. las. el. tensiones residuales y. balanceados.. maquinado, el ba1 anee de. producirse en. Al remover. distorsión.. aleaciones. Esta. de baja rigidez. [ Ref 1 ].. 3.12.- TRATAMIENTOS TERMICOS.. Puesto hasta. que. un rango. posible. los. hierros. grises que. pueden. de. temperaturas. en. son. aplicarles. tratamientos. térmicos. ser calentados. austeníticos,. como. a. es. los aceros.. Los beneficios que pueden obtenerse son: 1.- Mejor maquinabi1idad. 2.- Mejor resistencia al desgaste. 3.-. Superior. resistencia. a. la obtenida. en condición de.

(47) vaciado. 4.- Estabilidad dimensional y liberación de esfuerzos. Los tres tratamientos son. el. recocido,. Tratamientos. térmicos más. relevado. como. comunmente. de. esfuerzos. y. revenido,. temple. y. el. aplicados. normalizado.. austemperizado. y. martemperizado son utilizados en raras ocasiones. Tres. tipos. subcrítico. o. Las. de. * C,. a. 760. 800 a 900 Los. son. recocido. temperaturas en. aplicados:. para. recocido. total. recocido. total. las. recocido. y. recocido. subcrítico. son. temperaturas son de. *C y en recocido grafitizante son de 900 a 925 °C.. tiempos. espesor.. recocido. ferritizante,. grafi tizante. 700. de. recomendados. En. general,. son. los. de. 1. hr.. recocidos. por son. cada pulgada de utilizados. para. mejorar la maquinabi1idad. El matriz. normalizado se. aplica cuando se desea garantizar una. perlítica muy uniforme.. Las temperaturas. son de 875 a. 900 °C. El. re 1 evado. ca lentar. las. dependiendo esta aire.. inducidos 8. 1 .. de. la. las. a. de. 2 es. piezas. a. cons iste,. temperaturas. composición,. propósito en. esfuerzos. piezas. temperatura El. de. 8. las. horas. reducir durante. de. piezas. antes los. en 500. esencia, a. 650. en "C,. son mantenidas a. de ser enfriadas a 1. esfuerzos. la solidificación. residuales [ Ref. 6,.

(48) 4.-. FABRICACION. DE. MOLDES. PARA. ELABORACION. INDUSTRIAL DE. GALLETAS A PARTIR DE UN FUNDICION DE HIERRO GRIS.. 4.1.- ANTECEDENTES Y DESCRIPCION DEL PROBLEMA.. En GAMESA. el. proceso. utiliza. procedenc ia.. Un. de. elaboración. moldes. de. de. galletas. hierro. requerimiento. "de. gris. importante. de. que. nieve".. diferente. deben. cump1 ir. los moldes es mantener una buena estabilidad dimensional. moldes. no. deben. inadmisibles acabado. distorsionarse. en el. producto.. ya. que. Otro. esto origina. Los. defectos. requerimiento es un buen. superficial.. Originalmente todos los moldes se importaban de Alemania e. Inglaterra.. Estos moldes tenían un desempeño. satisfactorio. y solo necesitaban ser reemplazados después de varios años de operación.. Los. quebraduras. o. moldes. se. distorsión. sustituyen. que. no. cuando. puede. ser. presentan. eliminada. por. recti f icado. Recientemente. se. empezaron. a. sustituir. los. moldes. importados por moldes nacionales. Estos moldes, fabricados en la. localidad,. pronto. empezaron. a. manifestar. problemas. como. los siguientes: - Distorsión notoria después de unos meses de operación. -. Dificultad. Motivado tecnología. por. de GAMESA. de. esta. obtener. un. buen acabado. probemática.. el. superficial.. departamento. de. auspició un estudio con el objetivo que.

(49) a continuación se presenta.. 4.2.- OBJETIVO.. Determi nar permi tan tengan. la un. las. especificaciones. elaboración. desempeño. en. igual. la o. de. fabricación. local idad,. superior. de. al. de. que. moldes. que. los moldes. importados.. 4.3.- PROCEDIMIENTO.. El de. procedimiento que. permitió. llegar a. la determinación. las especificaciones de los moldes fué el siguiente: . Se determinaron . Se recopilaron moldes .. Se. las condiciones de operación. las especificaciones. anteriores de. los. nacionales.. rea 1 izó. una. caracterización. de. los. tres. tipos. de. moldes. .. Se. emitió. un. diagnóstico. del. problema. en. base. a los. resu 1tados obtenidos, proponiéndose una solución. . Se probó. la factibilidad y efectividad de. la solución. propuesta. .. Finalmente,. se. proporcionó. para la fabricación de. un. procedimiento. los moldes.. estándar.

(50) 4.4.- CONDICIONES DE OPERACION.. La. Fig.4. operación puede. haber. moldes Los. de. los. describir. no la. esquemáticamente. moldes.. hasta. es dar. moldes. muestra. 30. Dependiendo. moldes. forma. a. están. sujetos. por. las. del. horno.. condiciones de. tamaño del horno, La. función. de. los. la galleta mientras esta es horneada.. trayectoria. a. cargas mecánicas. mostrada. en. la. fuertes.. Al. figura, los moldes. están sujetos a un ciclo que consta de las siguientes etapas? I. -. L1enado. de 1 molde. fuera de 1 horno,. con. pasta. fría.-. su temperatura. El. fluctúa. molde está entre 240 y. 280 °C. II.-. Cocción. en. está. contacto. en. el. horno. -. directo. dura unos pocos minutos III.-. Expu1s i ón. de 1. Dentro. de 1 horno,. con. la. el. mo lde. flama. Esta etapa. (2 a 3).. producto.-. Al. sa1 i r. de 1 horno 1 os. moldes tienen temperaturas de 320 a 380 "C.. 4.5.- ESPECIFICACIONES. La moldes. especificación nacionales. que. utilizada. ANTERIORES.. para. presentaban. la. los. fabricación problemas. de los. descritos. anteriormente, según consta en los dibujos de ingeniería, era la siguiente: . Material. : fierro vaciado,. . Premaquinar a 1/8". (sic.). (3.175 mm) de la medida. final.. . Recocer a 850 "C durante 42 horas, dar enfriamiento.

(51) Ill 320-360 "C. /. SALIDA HORNO /V II ENTRADA. \ 1. /. /. /. 240-280 *C. F Ka .4 o o N M C i o N e a d b o p b f h c i o n d e toa m o l d e s ..

(52) lento . Maquinado. final. 4.6.- CARACTERIZACION DE LOS MOLDES. Se. utilizaron. una. serie. medi c ión para caracterizar. de. técnicas. análisis y. de. los diferentes moldes.. - Inspección visual. -. Análisis. químico. por. espectroscopia. de. emisión de. f1ama. - Metalografía. -. Mediciones de dureza.. 4.6.1- INSPECCION VISUAL.. La Fotografía de. cada. tipo. de. 1 muestra molde.. el. Los. aspecto genera 1 de una placa. moldes. están. formados. por. dos. placas rectangulares de 47 x 40 x 2.5 cm, como se representa en la Fig. 5.. Los moldes nacional y alemán son de diseño muy. similar;. se. esto. debe. a. que. origina 1 mente. solo. fabricando moldes nacionales para sustituir moldes Las Fotografías 2 y 3 muestran moldes molde. nacionales nacional.. distorsión La moldes externa.. y. La. al emanes. Fotografía. La. se estaban alemanes.. la distorsión presente en. distors ión es. 4 muestra. mayor. en. el. un molde inglés sin. apreciable.. inspección nacionales El. visual presentan. acabado. también. permitió. porosidad. superficial. de. notar. tanto. estos. que. interna. moldes. los como. presenta.

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(56) imperfecciones debido a tal. porosidad.. 4.6.2.- COMPOSICION QUIMICA.. La. Tabla. 9. muestra. la. composición. Molde nacional. Molde a lemán. química promedio de. los tres tipos de moldes.. Elemento % Peso C Si S P Mn Carbono Equiv. CE=%C+(%Si +%P)/3. Molde inglés. 3.18 1 .52 0. 102 0. 062 0. 65. 3.49 1.29 0.083 0.049 0 .83. 3.27 1 .04 0.136 0 . 149 0.83. 3. 71. 3.94. 3.67. Tabla IX - Composición química de. Como. puede. compos ición. observarse,. química. hipoeutécticos. las. similar.. (CE < 4.3%).. Los. tres. .os moldes.. aleaciones. Los. tres. porcentajes. son. tienen hierros. de Mn y S están. bien balanceados y dentro de rangos típicos. El contenido de fósforo. es. relativamente. bajo. en. los. moldes. nacional y. a 1emdn; en e1 molde inglés, el contenido de fósforo está a un nivel típico para hierro gris.. 4.6.3.- MICROESTRUCTURA.. Las microestructuras. observadas en. los diferentes. de moldes se muestran en las Fotografías 5 a 9.. tipos.

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(60) MOLDE. Es. u n hierro gris, con hojuela. La m a t r i z Ver. INGLES.. es perlática con apreciable. Fotografías. moldes y. 5 y. 6.. Se. presencia de esteadita.. observó homogeneidad en distintos. en zonas diferentes de un m i s m o molde.. MOLDE. Es. tipo A de tamaño ASTM 4.. ALEMAN.. u n hierro gris, con h o j u e l a tipo A, tamaño ASTM 4. La. matriz. es. observa. una mezcla. ligera. de. variación. y perlita. ferrita en. la. (Fotografía 7). Se. mi croestructura. en distintos. mo 1 des .. MOLDE. Es. un. (Fotografía observó. hierro. y. casos. se. en. variación zonas. hojuela. en. la. de. segregación. tipo D (Fotografía. resultados. siguientes :. de. A,. tamaño. un. mismo. 2. de distintos. molde.. dendrítica. ASTM. ferrítica. Se. microestructura. En algunos. con. hojuelas. 9).. 4.6.4.- M E D I C I O N E S D E. Los. tipo. predominantemente. diferentes. observó. irregulares. con. 8). La matriz es. gran. moldes. gris. NACIONAL.. mediciones. DUREZA.. de. dureza. fueron. los.

(61) Dureza Brinell Molde inglés. 190. Molde alemán. 135. Molde nacional. 121. promedio.. 4.7.- DISCUSION.. 4.7.1.- COMPARACION DE LOS DIFERENTES MOLDES.. Las. condiciones. cons ideran. de. operación. mecáni cámente. severas.. trabajo,. los moldes. mayores,. lo. puede. Durante. el vaciado y maquinado la utilización. tales como hierros los. moldes. de. fuente. a. con. relajación. ser. de matriz. producidos. en. los. Durante. temperaturas. debido. agudizan. la. cual. soportan. de. el. no. se. ciclo. de. hasta 350 °C o. de posibles. esfuerzos. de. de. moldes. distorsiones. residuales. generados. [Ref.1,2]. Estos problemas se hierros. de baja. ferritica. México,. resistencia,. como el utilizado en. que. además. recibió un. tratamiento de recocido.. La. especificación. empleada. para. la. fabricación. de los. moldes nacionales realmente no especificaba el tipo de hierro a. utilizar,. ni. en. términos. de. clase. ASTM,. grado. SAE,. compos ic ión, mi croestructura ni dureza.. El tratamiento durante. 42. horas». térmico especificado de recocer a 850 "C garantiza. la. disolución. de. posibles.

(62) carburos. presentes,. resultando. en. una. matriz. completamente. ferrítica muy fácilmente maquinable pero sacrifica y. resistencia. de. excesivamente. los. 1argo.. antieconómico.. moldes. El. Considérese. El. tiempo. tratamiento además que. la dureza. especificado es. es. i nadecuado. y. las posibles ventajas. del tratamiento térmico solo son aprovechadas en el maquinado final,. puesto. que. se. condición de vaciado,. especifica. cuando. un. premaquinado. en. la. las piezas son más duras y, por. lo tanto, difíciles de maquinar.. La muy. composición. similar y. es. química. típica. de. de. los tres. hierros. tipos. grises. de. de. moldes. es. uso común. El. bajo contenido de fósforo de las piezas nacionales y alemanes es un fase. factor positivo, ya que esto limita la aparición de la esteadita,. que. es. un. constituyente. hierro y que normalmente se considera. La microestructura imparte es SAE. perlítica de. de. G3000).. excelente. hierros Estas. de. mediana. los moldes. en. el. ingleses. les. su dureza de 190 HB. resistencia. características. comportamiento. fragi1 iza. indeseable.. una buena resistencia y rigidez,. típica. que. les. (clase 25 o 30,. permiten. operación,. tener un. libres. de. deformaciones y distorsiones.. El. material. microestructura hierro. de. de. los. moldes. ferrito-perlItica. resistencia. y. relativamente. alemanes,. dureza baja.. de Su. con. su. 135 HB, es un desempeño es.

(63) satisfactorio aunque. inferior al de los moldes. La microestructura. ingleses.. ferrítica de grandes hojuelas de los. moldes nacionales, así como su baja dureza, son resultado del inadecuado. tratamiento. térmico. a. que. fueron. sometidos.. Su. baja resistencia y rigidez, que pueden disminuir aún más para las. temperaturas. sufrir. de. inestabilidad. condiciones de. operación,. los. dimensional. y. base. distorsiones. bajo. las. a. 1 os. resutados. PROPUESTAS.. obtenidos,. solución fundamentada en los siguientes Para. suceptibles de. operación.. 4.7.2.- MODIFICACIONES. En. hacen. tener. un. desempeño. se. propuso una. puntos:. adecuado. en. operación,. el. material debe ser hierro gris de resistencia media con matriz perlitica y hojuela tipo A tamaño 3 o 4. .. Basta. un. disminuir. tratamiento los. de. esfuerzos. relevado. de. residuales. esfuerzos. en. para. condición. de. vac iado. Además, con este tratamiento se disminuye un poco. la dureza. del. material,. dejándolo. con muy buena. maquinabi1idad sin destruir su matriz perlitica. Con. objeto. de. probar. la. factibilidad. de. la. solución. propuesta, se trabajó en colaboración con una fundición de la localidad. previamente. seleccionada.. solicitó elaborar un molde de la. composición. (Tabla VI).. en. el. rango. A. prueba,. esta. fundición. se le. con matriz perlitica y. de aleaciones SAE G300Q y G4000.

(64) El. molde. de. prueba. fué. analizado. y. sometido. a. tratamiento térmico de relevado de esfuerzos. Los resultados se presentan a continuación.. 4.8.- RESULTADOS DE CARACTERIZACION DE MOLDE DE PRUEBA.. 4.8.1.- COMPOSICION QUIMICA.. Carbono. 3.27. Sil icio. 2.29. Manganeso. 0.53. Fósforo. 0.04. Azufre. 0.101. 4.8.2.-DUREZA BRINELL PROMEDIO.. Antes de tratamiento térmico. : 192.. Después de tratamiento térmico. Según. datos. proporcionados. : 165.. por. la. fundición,. este. material tiene una resistencia tensil de 25,000 a 30,000 psi..

(65) 4.8.3.- TRATAMIENTO. El una. tratamiento. temperatura. horno. hasta. tratamiento. e. 450 se. residuales. de. térmico 550. consistió. °C durante. C,. después. puede. liberar. [ Ref.. TERMICO.. se de. en mantener. la pieza a. una hora y enfriarla en el enfrió 70. a. al. 80 %. aire. de. Con este. los esfuerzos. 1, 3, 5, 8 ].. 4.8.4.-MICROESTRUCTURA.. La. Fotograf ia. condición tamaño. 3. de a. 10. vaciado 4.. Esta. muestra resultó. que. la. perlítica. microestructura. no. mi croestructura en la con. sufrió. apreciable después del tratamiento térmico La. microestructura. y. dureza. prueba un. resultados. fueron. molde. ingleses,. de. considerados. bajo. las. del. muy. condiciones. resultados se determinaron. exponen. enseguida.. ya. similares. esperar que de. 11).. después. de 1. maquinabi1idad.. análisis. satisfactorios,. características. lo que permite. satisfactorio estos. obtenidos. modificación. (Fotografía. obtenidas. tratamiento térmico permiten una muy buena Los. hojuela tipo A,. tenga un. del. molde de. que. se obtuvo. a. los moldes. comportamiento. operación.. Con base a. las especificaciones. que se.

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(67) 4.9.-. Enseguida y. ESPECIFICACIONES.. se presentan. las especificaciones de. material. fabricac ión para moldes de ga11 etas de nieve trabajando en. 1 as. condiciones. Estas. descritas. especificaciones. en. el. apartado. comprenden :. composición química, dureza. 4.4. y figura 4.. de. materia 1,. t ipo. , tratamiento térmico y condición. supeficial. 4.9.1.- MATERIAL.. . El material debe ser hierro gris de resistencia media, clase ASTM 20, 25 ó 30, con hojuelas tipo A tamaño 3 ó 4 en matriz perlítica sin carburos Se. recomienda. e1. s iguiente. primarios.. rango. de. compos ic ión. química.*. Elemento. *. Rango. hierros. de. %Peso. Carbono. 3. Silicio. 1.8 - 2.3. Manganeso. 0.6. Azufre. 0.15 máx.. Fósforo. 0.1 máx.. aleaciones. SAE. G3000,. G3500. -3.4. -. y. 1.0. G4000;. que son. de matriz perlítica.. Pueden tolerarse. ligeras desviaciones en composición. si.

(68) se cumple con el requisito de matriz perlítica.. Dureza.- La dureza en condición de vaciado deberá estar en el rango de 180 a 210 HB.. 4.9.2.-TRATAMIENTO TERMICO DE RELEVADO DE ESFUERZOS.. Mantener durante. las una. piezas. hora.. Si. superior de 1 rango. a. una. la. temperatura. dureza. especificado,. está e1. de. en. 550. ®C. el extremo. tiempo deberá ser. de dos horas.. El. calentamiento. aproximada de 175. deberá. realizarse. a. una. razón. 'C/hora.. . En el enfriamiento se recomienda enfriar las piezas de 550. a 300. ®C en. tres. horas dentro del horno.. Después. enfriar al aire.. Este. tratamiento. deberá. efectuarse. antes. de. maquinar. los. moldes.. ' 4.9.3.- CONDICION Las. piezas. simple vista.. no. deberán. SUPERFICIAL.. mostrar. poros idad. superf i cia1 a.

(69) 4.10.- BENEFICIOS OBTENIDOS.. Las la. especificaciones localidad,. obtenidas. moldes. con. permiten. propiedades. elaborar, y. en. desempeño. similares a. los moldes. importados, a una fracción del. costo.. representa. un. Esto. tiempo de entrega. gran. al suprimirse. ahorro. económico y en. la importación de los. moldes. . A. la vez que se resolvió técnicamente el problema, se. garantizó. la factibilidad de la solución encontrada al. participar en el desarrollo del. proveedor,. en estrecho contacto con una fundición. trabajando. local.. . Los resultados de este estudio han motivado a GAMESA a apoyar. proyectos. de. desarro lio. tecnológico. para. resolver otros problemas que enfrenta. . El logro obtenido en la planta Monterrey puede hacerse extensivo al resto de las fábricas del grupo GAMESA..

(70) 5.- CONCLUSIONES.. **. Las. condiciones. mecánicamente. de. operación. de. los. severas y pueden ser soportadas. moldes. no. son. por hierros de. resistencia media con matriz perlítica.. **. La. típica de. de. composición hierros. de. química. de. los. resistencia. diferentes. media.. moldes. es. La matriz perlítica. los moldes ingleses explica su superioridad respecto a los. moldes. alemanes, que tienen matriz. ferrito-per1ítica.. Por lo. cual se propone que los moldes tengan una matriz perlítica.. **. Los. moldes. especificaciones. nacionales. anteriores. a. elaborados. este. estudio. heterogeneidad en su microestructura, siendo ferrítica. Eran. sometidos. a. un. bajo. mostraron. las gran. ésta en general. inadecuado. tratamiento. térmico que los dejaba en una condición de baja resistencia y dureza,. lo. cual. puede. explicar. las. distorsiones. que se. manifestaban después de 1 a 3 meses en operación.. **. El. tratamiento. térmico. que deben recibir. los moldes es. un relevado de esfuezos para garantizar una buena dimensional. dureza,. Además,. facilitando. perlítica.. con el. este. tratamiento. maquinado,. sin. se. estabilidad disminuye. destruir. la. la matriz.

(71) **. Los. resultados. demostraron fabricar. que moldes. anteriormente. las. obtenidos. con. especificaciones. que. importados.. sustituyen. el. molde. propuestas exitosamente. de prueba permiten a. los.

(72) REFERENCIAS. BIBLIOGRAFICAS.. American Society for Metals. Metals Handbook Ninth Edition. Vol. 1; Properties and Selection: Irons and Steels.. 1985.. p. 3-73.. R. W. Heine; C. R. Loper, Jr. and P. C. Rosenthal. Principles of Metal Casting. Second Edition, p. 191-663. Mc. Graw Hill.. Apraiz Barreiro José. Fundiciones. 3a. Edición. Ed. Dossat.. 1981.. - American Society for Metals. Metals Handbook, Ninth Edition. Vol. 9: Metallography and Microstructures.. 1985.. p.246-255.. - S. H. Avner. Introducción a la Metalurgia Física. 2a. Edición. Mc. Graw Hill.. 1985.. p.420-456.. - American Society for Metals. Metals Handbook, Ninth Edition. Vol. 15: Castings,. p.627-661.

(73) 7.- Foseco LTD. The Foseco Foundryman's Handbook, Pergamon Press.. 8.- American Society for Metals. Metals Handbook, Ninth Edition. Vol. 4: Heat Treating,. p.523-556.. p.255-338..

(74) SU54 '-«S ' IBSitatFk. •. •. -. :. -V. "V •. •. m te"ü s i. • •• -. -.. \. "V. >....;.. •. r.. •. -. ^mmrnmmm .y. .. V J-: •• ' :. - • . - . - 'it. - • : • ' i-""" ' -. •. -. - .•."'".• • ' ' ' '.•::•': •' ' ' •. .. ••:' .. .y''.

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