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FACULTAD DE INGENIERÍA TESIS DE GRADO
TRABAJO DE GRADO N° 21.201,387
TITULO:
TEMA: CARACTERIZACIÓN DE FUNDICIONES DE HIERRO ALEADAS CON NÍQUEL CAMPO DE INTERÉS: MATERIALES
TÍTULO:
CARACTERIZACIÓN MECÁNICA Y MICROESTRUCTURAL DE UNA FUNDICIÓN DE HIERRO ALEADO CON NÍQUEL.
DIRECTOR: Ing. SIERRA CETINA MAURICIO ALEJANDRO PROFESIÓN: INGENIERO MECÁNICO
OFICINA: LABORATORIOS DE INGENIERÍAI-203
CORREO ELECTRÓNICO: [email protected]
________________________ ________________
DIRECTOR DE PROYECTO ESTUDIANTE
ESTUDIANTE
NOMBRE: LEONARDO ANDRÉS SUÁREZ RODRÍGUEZ CÓDIGO: 065081037
CEDULA: 1019046308 NÚMERO TELEFÓNICO: 6804056 NÚMERO CELULAR: 3209581113
CORREO ELECTRÓNICO: [email protected]
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AGRADECIMIENTOS
Siempre he considerado toda experiencia de aprendizaje como una oportunidad única de adquirir algún conocimiento que me fuera útil en la
vida, y en el desarrollo de este proyecto aprendí mucho más que conocimiento científico, valores y enseñanzas que solo la experiencia da,
desde el fracaso y la frustración hasta la persistencia y el éxito, estos procesos que definen la vida misma y que son más llevaderos cuando alguien
nos da una mano para superarlos, es por ello que agradezco a las personas que directa o indirectamente me han enseñado algo y es por lo mismo que de
manera humilde deseo realizar una dedicatoria de este proyecto, que hasta el momento ha sido mi mayor logro, a mis maestros de la vida, porque la culminación de este proyecto no es más que el reflejo del tiempo, paciencia y
dedicación que han invertido en mi desarrollo tanto profesional como personal. Primero que todo, agradezco a mi Madre, María Omaira Rodríguez Galindo, a quien le debo todo en la vida, quien ve el cumplir mis
sueños como si fueran los suyos, gracias por todo. Segundo a mi director de tesis y maestro, Mauricio A. Sierra Cetina, por haberme confiado el desarrollo de este proyecto y por acompañarme en este proceso desde el principio hasta el fin. Tercero a mi hermana menor, Yurani D. Suárez Rodríguez, a quien agradezco su compañía y palabras. Por último a mí
maestro de física y amigo, Elkin Pineda Rojas, por su ayuda y consejo cuando más lo necesite.
Dadme un punto de apoyo y moveré al mundo.
Arquímedes
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CONTENIDO
Contenido
TÍTULO: ... 1
CONTENIDO ... 3
1 INTRODUCCIÓN... 7
2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA... 9
2.1 ANTECEDENTES ... 10
2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 14
2.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ... 16
3 JUSTIFICACIÓN ... 17
4 OBJETIVOS ... 19
5 MARCO TEÓRICO ... 20
6 MARCO LEGAL Y NORMATIVO ... 27
7 DISEÑO METODOLÓGICO ... 28
7.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ... 33
7.2 DISEÑO EXPERIMENTAL ... 34
8 MARCO CONCEPTUAL ... 37
9 OBTENCIÓN DE LAS MUESTRAS POR EL METODO DE FUNDICIÓN SHELL MOLDING EN HORNO DE INDUCCIÓN ... 41
9.1 PREPARACIÓN DEL MOLDEO EN ARENA Y ALEANTES A FUNDIR ... 41
10 METALOGRAFÍA Y PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS ... 49
10.1 ANÁLISIS METALOGRÁFICO ... 50
11 CARACTERIZACIÓN MECANICA ... 55
11.1 ENSAYO DE FLEXIÓN... 55
11.2 ENSAYO DE DUREZA ... 59
12 TRATAMIENTO TERMICO Y SU INFLUENCIA EN LAS PROPIEDADES MECANICAS Y CAMBIO DE FASE MICROESTRUCTURAL ... 62
12.1 EFECTO DEL RECOCIDO EN LA ESTRUCTURA METALOGRÁFICA ... 63
12.2 EFECTO DEL RECOCIDO EN LAS PROPIEDADES MECANICAS... 67
12.2.1 Flexión... 67
12.2.2 Dureza ... 69
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13 ENSAYO DE CORROSIÓN... 71
13.1 ANÁLISIS DE CORROSIÓN ... 83
14 CONCLUSIONES ... 84
15 ANEXOS-COMPOSICIONES QUÍMICAS ... 85
16 FUENTES DE INVESTIGACIÓN ... 92
TABLAS ILUSTRADAS Tabla 1 Influencia de los elementos aleados sobre la formación de grafito y de los carburos sobre las matrices metálicas, Fuente: L. SUÁREZ RODRÍGUEZ, 2015 ... 21
Tabla 2 Condición experimental del ensayo de corrosión. Fuente Autor del Proyecto Leonardo A. Suárez. ... 28
Tabla 3 TAMAÑO NORMAL PARA ENSAYO DE HIERRO FUNDIDO PARA ENSAYO DE FLEXIÓN ... 29
Tabla 4 Balance de carga con composiciones químicas de los aleantes ... 31
Tabla 5 Selección de porcentajes de hierro gris y acero 1020 para la aleación ... 31
Tabla 6 Matriz de ecuaciones lineales para la solución del balance de carga. ... 31
Tabla 7 Resolución de matriz por EXCEL 2010. +MINV ... 32
Tabla 8 Total de material para Fundir 5 kg de Ni-hard... 32
Tabla 9Resultado finales del ensayo de dureza en fundiciones de hierro aleado con níquel ... 35
Tabla 10 Tabulación de los parámetros de Douglas ... 36
Tabla 11 Resultados de resistencia en ensayo de flexión ... 57
Tabla 12Resultados Dureza muestra sin recocido ... 61
Tabla 13 Resultados de flexión sobre muestras tratadas térmicamente ... 68
Tabla 14 Resultados de dureza a muestra con recocido ... 70
Tabla 15 Pérdida de masa en Ni-Hard ... 79
Tabla 16 Pérdida de masa en Ni-hard tratado térmicamente ... 79
Tabla 17 Pérdida de masa de acero 1040 ... 80
Tabla 18 Perdida total de masa para las muestras en cámara salina ... 80
ILUSTRACIONES ANEXOS Ilustración 1Composición química Níquel puro ... 85
Ilustración 2 Composición química Ferro-Cromo... 86
Ilustración 3 Composición química Ferro-Manganeso ... 87
Ilustración 4 Composición química Ferro-Molibdeno ... 88
Ilustración 5 Composición química Ferro-Silicio ... 89
Ilustración 6 Composición química Material para balance de carga (fundición de hierro gris) ... 90
Ilustración 7 Composición química Aleación Obtenida Ni-Hard... 91
5 TABLA DE FIGURAS
Figura 1 Condiciones de un puente en Virginia atacado por la edad y la corrosión. Fuente
ASCE 2013 Report card FOR AMERICA’S INFRAESTRUCTURE ... 11
Figura 2 Ni-hard tipo D2 después de exposición en salmuera a temperatura de 60°C, grafito nodular en fase de carburos a 100X ... 12
Figura 3 Material T2 después de exposición en salmuera a temperatura de 60°C, grafito en forma de hojuela a 100X. ... 12
Figura 4 Efecto de elementos aleantes en el efecto de enfriamiento, contenido total de carbono variando desde un 3-3.3% ... 22
Figura 5 Efecto del Níquel en la maquinabilidad de un hierro gris. ... 23
Figura 6 Efecto del Silicio en la pérdida de peso de una fundición gris ... 24
Figura 7 Efecto del Níquel en la pérdida de peso de una fundición de Hierro gris. ... 24
Figura 8 Formación de Iones en el ánodo, y de hidrógeno en el cátodo en una celda de acción local (The international Nickel Company) ... 26
Figura 9 Diseño de barra de Hierro fundido ASTM A 48 ... 29
Figura 10Curva característica para el análisis de varianza del modelo con efectos fijos ... 36
Figura 11 Laboratorio de fundición, Técnico Central la Salle. ... 41
Figura 12 Preparación de la arena para molde de fundición ... 42
Figura 13 Secado de la arena y adición de bentonita a la arena ... 42
Figura 14 Horno de Inducción Marca 5M INDUCTION SYSTEMS. MF 75 Kw - 2X100 Kg para fusión de aceros, hierros y aluminio. ... 43
Figura 15 Preparación del molde de arena por presión manual ... 43
Figura 16 Preparación final del molde de arena para Ni-Hard ... 44
Figura 17 Preparación de los materiales para fundir ... 44
Figura 18 Preparación de la fundición gris... 45
Figura 19 Pesaje de los aleantes en balanza gramera. ... 45
Figura 20 Proceso de fundición de los aleantes en horno de fundición. ... 46
Figura 21 Proceso de colada de Ni-Hard sobre molde de arena ... 46
Figura 22 Preparación de cuchara para recibir colada del horno de inducción. ... 47
Figura 23, Defectos de la fundición ... 47
Figura 24 Proceso de embutido en Baquelitadora MAXIEXPRESS Universidad Libre ... 49
Figura 25 Reactivo de ataque micrográfico y Alúmina para el proceso de metalografía ... 49
Figura 26 Pulido metalográfico Universidad Libre ... 50
Figura 27 Superficie dendrítica en microscopio 100X ... 50
Figura 28 Superficie dendrítica en microscopio 1000X ... 51
Figura 29 Superficie dendrítica en microscopio 50X ... 51
Figura 30 Concentración masiva de austenita retenida 100X ... 52
Figura 31 SEM fundición de alto cromo Ni-Hard en estado de colada ... 54
Figura 32 Fases en equilibrio del sistema Fe-C por el software ThermoCalc ... 54
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Figura 33 Esquema de Flexión de 3 puntos ... 55
Figura 34 Máquina Universal de Ensayos Shimadzu - Universidad Libre... 56
Figura 35 Muestras para el ensayo de flexión en 3 puntos ... 56
Figura 36 Dispositivo de flexión montado en maquina Universal ... 56
Figura 37 Rotura por flexión en muestras sin tratar ... 57
Figura 38 Esquema de momentos flexionantés para un arreglo de 3 puntos ... 58
Figura 39 Durómetro ESEWAY INNOVATEST ... 60
Figura 40 Muestras para ensayo de dureza ... 60
Figura 41 Ensayo de dureza sobre muestra sin tratar térmicamente ... 60
Figura 42 Pantalla durómetro ... 61
Figura 43 Curva de Recocido para muestra Ni-Hard ... 62
Figura 44 Muestras tratadas térmicamente ... 63
Figura 45 Aumento 500 en microscopio ... 64
Figura 46 Aumento 100 en microscopio ... 64
Figura 47 Aumento 1000 ... 65
Figura 49 Micrografía SEM del instituto Ni-hard ... 66
Figura 48 Formación de carburos M3C aumento 500 ... 66
Figura 50 Deflexión en piezas tratadas ... 67
Figura 51 Preparación de muestras para ensayo de flexión ... 68
Figura 52 Ensayo de dureza sobre muestra tratada térmicamente ... 69
Figura 53 Pantalla del durómetro durante ensayo a muestra tratada térmicamente ... 70
Figura 54 Efecto del recocido en las propiedades mecánicas ... 71
Figura 55 Cámara salina DiES Universidad Libre ... 71
Figura 56Dislatadora de agua U. Libre ... 72
Figura 57 Proceso de recolección de agua destilada ... 73
Figura 58Preparación de Salmuera ... 74
Figura 59 Control de pH salmuera y presión cámara salina ... 74
Figura 60 Proceso de pesaje en balanza analítica marca OHAUS Pionner de 4 unidades después del punto de exactitud ... 75
Figura 61 Disposición de las muestras dentro de la cámara salina ... 75
Figura 62 Generación de Niebla en cámara salina DiEs ... 76
Figura 63 Cambio físico presentado en las muestras después de haber sido expuestas en átmosfera Salina ... 77
Figura 64 Material libre de Oxido ... 78
Figura 65 Curva de Corrosión ... 81
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1 INTRODUCCIÓN
El conocimiento estructural y de composición de los llamados Ni-hard (aleaciones en base Níquel) se vuelve de vital importancia en el mundo de la ingeniería, ya que el conocimiento de sus características y cambios en su naturaleza permite predecir su comportamiento y darle un mayor uso a este tipo de material para diversas aplicaciones.
En la naturaleza, el Níquel se presenta como una férreo-aleación de alrededor treinta por ciento (30%) Ni y setenta por ciento (70%) Fe. Siendo Colombia el responsable de producir el 60% de esta producción mundial, existen 3 yacimientos importantes localizados en la región del Caribe en el departamento de Córdoba Cerro Matoso, Planeta Rica y Úre, más otros tres de menor producción ubicados en Antioquia, siendo Cerro Matoso el de mayor reserva mundial cuya propiedad hoy en día pertenece a la empresa minera BHP Billiton.1
Como aplicación él Ni-Hard es uno de los materiales sometidos especialmente a ambientes agresivos de soluciones salinas y altos contenidos de hidrocarburos, donde la resistencia a la corrosión y los esfuerzos mecánicos, son requisitos que este material debe de conllevar, su uso se define al transporte de hidrocarburos, hidro- bombas de estos productos, almacenamientos de petróleos, desalinadoras entre otros, donde la falla del material en el campo de la industria ingenieril implica grandes pérdidas en costos operativos, es por esto, que este material se ha diseñado con el fin de cumplir con estas necesidades, como son propiedades de alta resistencia al desgaste, a la corrosión y resistencia mecánica, dado que usualmente los materiales altamente anticorrosivos son materiales muy frágiles, y de baja resistencia a la tenacidad, todo esto debido a su alto contenido de cromo que los vuelve materiales muy duros.
Este proyecto comenzó desde el proceso de conformado del material donde se evaluaron las propiedades de sus aleantes en forma individual con el fin de proponer una aleación que brindara este balance entre resistencia mecánica y durabilidad en ambientes corrosivos.
La obtención de este material fue a través del método de fundición en molde de arena o Shell-Molding, donde se logró obtener un material ferroso aleado en base Níquel con características tales que dieron los elementos de la aleación mejorando las propiedades típicas de una fundición de hierro gris.
1 Unidad de Planeación Minero Energética –UPME. “El Níquel en Colombia” [Articulo en Internet].
http://www.upme.gov.co/Docs/Niquel_Colombia.pdf
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Realmente es difícil obtener un material de esta clase cuando no es producido en gran cantidad, debido al tipo de horno de inducción utilizado que requiere cubilote industrial de cincuenta (50 kg), por lo que fundir cinco (5 kg) para realizar muestras de fundición es difícil. Debido al enfriamiento crítico que suelen sufrir las fundiciones cuando la cantidad de colada es muy poca además de la elevada relación costo producción que solo es beneficiosa cuando se produce grandes cantidades de este material.
Variables como estas se presentan en todo tipo de proyecto experimental, las cuales un ingeniero debe de saber controlar adecuadamente, como consecuencia se hacen unas recomendaciones para el momento de fundir él material de cómo hacerlo correctamente, debido a que el proceso de la fundición es un proceso de sumo cuidado y de bastante experticia, un proceso de alta dificultad que demuestra que no basta con estudiar el proceso ni siquiera con fundir un par de veces para poder producir una fundición deseable y de alta calidad.
Para determinar el balance de carga, se realizó una matriz de ecuaciones lineales que se presenta en este documento para el desarrollo de la fundición, la cual arrojó la cantidad total de material necesario por elemento para poder fundir y así obtener las muestras con la composición química más deseada posible sin afectar los valores de carbono y níquel primordialmente, que son los que definirán una fundición tipo Ni-Hard.
Para garantizar la composición del material se tomaron una serie de composiciones químicas de los elementos que van a ser parte de la fundición con el fin de aproximar el resultado final a la composición química propuesta.
El ensayo en cámara salina se definió bajo Norma ASTM B 117 la cual indica las condiciones de niebla salina para poder realizar un ensayo de calidad, este ensayo estuvo determinado para un periodo de un mes continuo en cámara salina exceptuando cortos periodos de tiempo para realizar el análisis de las muestras en momentos descritos en el proyecto, donde se lograron obtener resultados favorables para la resistencia de la corrosión del material.
La caracterización de propiedades mecánicas y anti-corrosivas estuvieron influenciadas por un tratamiento térmico especificado, del cual se pretendía establecer su influencia en el cambio de fase microestructural y como efecto en sus propiedades mecánicas y de resistencia al desgaste, esto además permitió conocer más a fondo la naturaleza del material dando como resultados una aleación exitosa con un balance de resistencia mecánica y durabilidad en ambientes marinos.
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2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Los estudios realizados anteriormente se han puesto en la tarea de determinar el efecto significativo de la adición del níquel sobre una fundición de hierro, esto con el fin de obtener nuevos materiales que puedan ser usados dentro de diferentes industrias y ambientes. Quienes han realizado esta clase de estudios han sido aquellos que trabajan con estos materiales como por ejemplo: Industrias desalinadoras, industrias petroleras o empresas dedicadas a la destrucción de desechos civiles y militares, con el fin de determinar las mejores condiciones de trabajo para estos entes corporativos, por tanto se han enfocado en la determinación del ambiente más severo para estos materiales o se ha estudiado el comportamiento de estos materiales en temperaturas hipercríticas, también la adición de otros elementos para obtener otros más resistentes a sus ambientes de trabajo, (que para un Ni-Hard siempre son ambientes agresivos, por ejemplo recipientes de hidrocarburos, ambientes retenedores de salmueras, máquinas destinadas al transporte de desechos y procesos de destrucción por el método de oxidación a altas temperaturas) pero la información acerca de la determinación microestructural y de propiedades mecánicas de esta clase de materiales es poca en países de Latinoamérica, solo se ha estudiado el efecto de pérdida de masa por abrasión en materiales símiles respecto al contenido de cromo en su aleación, pero aun así, cabe recordar que cada material con una variación de su composición química tendrá cambios en su microestructura variando el efecto del comportamiento en distintos ambientes por más mínimo que sea esta adición, esto en gran parte se debe al costo del material ya que el Kilo de Níquel puro esta alrededor de sesenta mil ($60,000) pesos colombianos, y es por esto que la caracterización sigue siendo un tema de total interés por parte del sector industrial.
Debido a que el níquel es un material sumamente costoso, limita su uso como aleante para maquinarias industriales, es por esto que siempre se evalúa la relación costo beneficio antes de ser una opción en el campo de la ingeniería, este proyecto no está plateado para definir la relación costo vs beneficio, pero el conocimiento de la durabilidad del material y de las propiedades de este mismo en comparación con otros materiales más comunes o comerciales, puede ser una variante al momento de la selección de metales para estas aplicaciones.
El comportamiento del níquel como elemento aleado ha sido estudiado en libros, tesis y demás publicaciones, donde se determina las propiedades que tiene el níquel como elemento singular, entre otras que son de interés para este proyecto de investigación, por ejemplo, su alta resistencia a la corrosión y su capacidad de afinar la perlita dando beneficios de dureza. Este proyecto busca caracterizar una composición con un alto contenido de níquel lo que lo hace un material muy
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especial ya que la industria poco se ha trabajado con este material debido a la adición significativa del níquel que lo hace una aleación bastante costosa.
2.1 ANTECEDENTES
La sociedad de ingenieros estadounidenses civiles publica un boletín cada 4 años, con el fin de informar sobre el mal estado de las infraestructuras en Estados Unidos. En el 2005 la calificación que se le ha dado a ese estado actual de las infraestructuras ha sido pobre, la principal causa de esto es la corrosión, todas las evaluadas por la ASCE “American Society of civil Enginners” eran afectadas por la corrosión, debido a falta de mantenimiento y corta vida útil de las mismas. La corrosión tiene un costo para la economía Estadounidense de trecientos mil millones de dólares ($300, 000, 000,000) cerca al cuatro por ciento (4%) del PIB.
La corrosión se presenta desde las vías férreas hasta los oleoductos que son usados para el transporte de residuos. Hoy en día la tecnología Estadounidense gasta gran parte de este dinero en reposición de piezas defectuosas, (como el interceptor de residuos del lago Oregón (LOUIS)) publicado en el boletín del dos mil trece (2013), lo que ha permitido que este se haya recuperado, ya que presentaba un sistema total mente atacado por la corrosión desde sus líneas hasta las bombas hidráulicas. La mayoría de casos en el que se ve la corrosión es en ambientes marinos, en juntas de diferente potencial eléctrico lo que se conoce como corrosión galvánica, en el boletín publicado del año dos mil trece (2013) concluye que las infraestructuras dedicadas al transporte de aguas ha desviado de seis a siete que son designados a proyectos de infraestructura acuáticas, para invertirlos en innovaciones.
Los puentes en el año dos mil nueve (2009) tuvieron una calificación C con un costo de solución de dos punto dos trillones de dólares ($2.2´000,000'000,000'000,000.), mientras que la última calificación en el año dos mil trece (2013) fue de C+ con un coste de solución de tres punto seis trillones de dólares ($3.6´000,000'000,000'000,000.), el último boletín se declaró que uno de cada nueve puentes eran deficientes, la alta administración de la nación estima que la cantidad de puentes son de seiscientos siete mil trecientos ochenta (607,380) construidos desde hace cuarenta y dos años y que para eliminar los puentes defectuosos son necesarios veinte punto cinco billones de dólares ($
20.5'000,000'000,000). 2
2ASCE 2013 Report card FOR AMERICA’S INFRAESTRUCTURE Released March
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Figura 1 Condiciones de un puente en Virginia atacado por la edad y la corrosión. Fuente ASCE 2013 Report card FOR AMERICA’S INFRAESTRUCTURE
Esto es una realidad, cómo la corrosión ha generado tantos costos incurridos en mantenimientos, reposición, transporte de minerales que se termina traduciendo en gasto de energía productiva.
En la biografía presentada en este documento se ha estudiado la necesidad de una solución a estos problemas, por lo que este proyecto propone una aleación especial como una posible solución a mitigar los efectos de la corrosión en las fundiciones Ni-hard o ferroaleaciones en níquel.
Uno de los problemas de las fundiciones de hierro gris es su baja resistencia a la corrosión, pero este problema puede ser corregido cuando la fundición es aleada con elementos como el níquel, silicio, cromo y/o cobre, también su baja casi inexistente resistencia a la tensión, teniendo en cuenta su buena compresibilidad, lo que hace que usualmente se le encuentre en columnas y no en elementos estructurales.
Revisando el estado del arte sobre artículos, tesis y proyectos de investigación símiles sobre el efecto que tiene el Níquel como aleante individual se encontró que este refina la estructura de perlita y grafito y nivela los valores de dureza entre las secciones del espesor de los lingotes dándole también propiedades anticorrosivas3.
3GILLESPIE, LAROUX K. Troubles Shooting manufacturing processes. [Artículo de internet].
http://books.google.com.co/books?id=SX_SO_CkiUIC&pg=PT195&lpg=PT195&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false.[Consult a:11/09/2013]
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Estudios metalográficos sobre la corrosión en dos tipos de aleaciones D2 y T2 fueron mostrados en el artículo llamado “Corrosión behavior of ni-resist cast irons in sea water”4, donde los resultados mostraron la forma estructural del grafito, entre los dos materiales, siendo la D2 nodular y la T2 de forma de hojuela.
Figura 2 Ni-hard tipo D2 después de exposición en salmuera a temperatura de 60°C, grafito nodular en fase de carburos a 100X
Figura 3 Material T2 después de exposición en salmuera a temperatura de 60°C, grafito en forma de hojuela a 100X.
Se considera que el efecto de la temperatura en la corrosión, se denotaba en rangos de temperatura entre 40 a 60°C, como explicación a esto hubo dos factores importantes a considerar un efecto negativo de temperatura en la
4ISMAIL Andijani, SHAHREER Ahmad, A.U. MALIK and S. BASU, Corrosion behavior of ni-resist cast irons in seawater,saline water Conversion Corporation, research & development center, Al-Jubail Desalination Plant, SWCC, Al- Jubail.
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disolución de oxígeno en el agua y efecto positivo de temperatura en la cinética de la disolución del metal u oxidación. Los rangos de temperaturas de entre 40-60°C ayudan a la combinación de estos dos efectos por lo que hace la mayor velocidad de corrosión.
Como conclusión del efecto de las columnas de salmueras, fue la predominación de la corrosión por SCC (Stress Corrosión Cracking).
Una pasividad cercana es lograda en condiciones de completa gasificación en unas pocas horas. Este comportamiento es observado en todas las temperaturas.
Bajo condiciones de completa gasificación creada por burbujas de aire, son formadas escamas gruesas las cuales actúan como capas de barreras protectoras contra el óxido.
Bajo condiciones parcialmente gasificadas o full desgasificada, el material no es capaz de proveer una capa de auto protección en contra del óxido alrededor de los 25° C, debido a que las películas de óxido formadas no son tal vez lo suficiente mente voluminosas con el fin de que se adhieran a la aleación.
PROBLEMAS DE LA CORROSIÓN EN LOS SISTEMAS SWCO (SUPERCRITICAL WATER CORROSION OXIDATION)
La mayor desventaja del sistema SWCO gira en torno a las altas presiones mayores a 23 MPa para algunos problemas de manejo de sólidos y algunos fluidos de desechos, aunque el sistema SWCO es tecnología capaz de destruir peligrosos residuos, el proceso se debe llevar a cabo en un reactor capaz de soportar temperaturas elevadas y problemas de degradación, porque comúnmente los Ni-hard son materiales que son empleados para aplicaciones severas. Estos son usados actualmente en la fabricación de reactores, en plantas pilotos, sin embargo hoy en día los datos y cálculos aseguran que estos materiales pudieran ser adecuados para ambientes más agresivos cuando no han sido tratados5, esto porque pueden existir pérdidas significativas de peso y efectos localizados como picaduras, (SCC) corrosión bajo tensión y dealloyng (corrosión en aleaciones) en tales entornos.
5 D. B. Mitton, J.H. Yoon, J.A. Cline, H.S. Kim, N. Eliaz, and R. M. Latanision, “Corrosion Behavior of Nickel-Based Alloys in Supercritical Water Oxidation Systems”, H.H. Uhlig Corrosion Laboratory, Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology.
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2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
La creación de nuevos materiales dan un sinfín de herramientas nuevas para la industria, y el caracterizar sus propiedades da una idea inicial para hacer uso apropiadamente de ellos, los Ni-hard son materiales con un alto contenido de cromo, molibdeno y alrededor de tres por ciento (3%) de carbón con lo cual se crea una aleación resistente y duradera al desgaste.
El níquel reduce el efecto gratificante del carbono dando un comportamiento semi- eutéctico del material. (Esta afirmación se podrá apreciar por medio de los resultados obtenidos en el desarrollo de esta investigación, haciendo uso del estudio mecánico y metalográfico de las muestras obtenidas).
Debido a su alta concentración de níquel en esta fundición, se harán modificaciones significativas en las propiedades mecánicas y micro-estructurales del material, aun así, no se determinará el efecto de la variación del níquel en la composición química obtenida.
Por otro lado tenemos el estudio de la corrosión donde se enfoca el estudio de este material, ya que ha sido creado con el fin de soportar ambientes altamente corrosivos con la esperanza de que pueda ser usado para requerimientos especiales donde la resistencia a la corrosión atmosférica sea prioridad.
Siendo la corrosión atmosférica la causa más común en la destrucción de metales industriales y aleados, debido a esta clase de ambientes agresivos donde los metales son expuestos en constante contacto con hidrocarburos, por lo tanto mayores son los requerimientos en cuanto a propiedades mecánicas y anticorrosivas.
La mayor parte de piezas metálicas operan bajo ambiente atmosférico por lo que la tendencia a la oxidación representa un alta responsabilidad en la falla de los materiales debido a este proceso, siendo este fenómeno uno de los mayores problemas dentro de la industria ingenieril que ocasiona la pérdida de masa de componentes, tiempo y reposición de materiales por procesos termodinámicos y químicos. Existen estudios en Estados Unidos y Japón que demuestran los elevados costos anuales por corrosión abarcando un rango de hasta el cinco por ciento (5%) del producto bruto interno de cada nación 6 incluyendo los costos de corrosión en dos partes, como se indican a continuación:
1. Los costos totales por corrosión que pudieron ser evitados si hubieran sido practicados mejores controles de corrosión.
2. Los costos para el ahorro en tecnología nueva y avanzada (costos inevitables).
6Koch GH, Brongers MPH, Thompson NG, Virmani YP, Payer JH. Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States.FHWA-RD-01-156. Springfield, Va.: National Technical Information Service, 2001
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Además se incluyeron recomendaciones en cuanto al manejo de la corrosión y de reducir gastos que este fenómeno conlleva, las dos más importantes fueron:
1. Las principales mejoras para reducir el impacto por corrosión podrían ser proporcionados por una mejor difusión de la información existente a través de la educación y la formación, mediante asesoramiento técnico y servicios de consultoría, y por las actividades de investigación y desarrollo.
2. Han existido muchas oportunidades para grandes ahorros a través de usos más rentables de las tecnologías disponibles para reducir la corrosión.
Existe la creencia de que la corrosión es un enemigo universal que debe ser aceptado como un proceso inevitable, pero en realidad, algunas cosas pueden y deben hacerse para prolongar la vida útil de las estructuras metálicas y componentes expuestos a los ambientes corrosivos. Actualmente los productos y procesos de fabricación se han vuelto más complejos y las consecuencias de fallos por corrosión, incluyendo los riesgos de seguridad y las interrupciones en el funcionamiento de una empresa, se han vuelto más costosos y reconocidos7 gracias a esto la atención prestada a la prevención y control de la corrosión en general ha aumentado, se ha realizado un mayor número de investigaciones en el área e implementado nuevas tecnologías que permitan un mayor control de este fenómeno, entre estas, la aspersión térmica de recubrimientos.
Está Suficientemente probado que la corrosión atmosférica depende esencialmente de la presencia de capas de electrolito sobre la superficie metálica, por lo que la corrosión va a depender del tiempo durante el cual el metal se mantiene en contacto con películas de humedad, ya que la naturaleza electroquímica del proceso exige que las superficies estén en presencia de un electrolito o medio conductivo. En conclusión la corrosión no disminuirá hasta que no se pasive alguno de los factores esenciales para la corrosión que son: el ánodo, cátodo y electrolito que son los que hacen posibles las reacciones electroquímicas.
Actualmente no se tiene una idea clara de cómo influye la corrosión en un material aleado en base Níquel como el que se presenta en este documento, lo cual es el aporte fundamental de esta investigación para el desarrollo tecnológico e investigativo del país.
7Pierre R. Roberge, Ph.D., P.Eng Corrosion Engineering, Principles and Practice.Mc Graw Hill (2008).
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2.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
“Las fundiciones en hierro gris tienden a tener poca resistencia a la fatiga debido a su microestructura típica de láminas de grafito distribuida en una matriz de perlita”8, lo que hace que usualmente sean aleadas con Níquel (Ni), Cromo (Cr), Cobre (Cu), Molibdeno (Mo) entre otros elementos haciendo de la fundición aleada gris un material apropiado para trabajar en ambientes de alta temperatura, resistente a la corrosión y con adecuadas propiedades mecánicas como la dureza, entre otros.
Las fundiciones aunque tienen una alta resistencia a la corrosión son a menudo el tema de mayor preocupación, debido a las fallas del proceso de fundición, lo que lleva a significantes costos de paradas de obra en plantas y problemas de operación. Las fundiciones aleadas con base Níquel no son la excepción, las fallas prematuras de la fundición se encuentran en procesos químicos, tratamientos de residuos peligrosos, combustión de gas y desulfuración.
Las nuevas tecnologías hacen uso de materiales de menor costo por ejemplo las fundiciones aleadas con niobio, manganeso y silicio, pero estos materiales son susceptibles a la corrosión por tensión SCC (Stress Corrosion Cracking) que es iniciada desde un fino poro que lleva un patrón de grieta que posteriormente se agrandan9, ocasionando altos costos para las empresas que hacen uso de estos materiales. Este proyecto de investigación pretende caracterizar las propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión en una fundición aleada con níquel después de un tratamiento térmico, donde se observará los cambios estructurales y la influencia de la adición significativa del níquel a la fundición, esta investigación podrá determinar la mayor confiabilidad posible para el uso de estos materiales en ambientes corrosivos en altas temperaturas sin tener problemas mecánicos o estructurales en el material, ya que son muchas las aplicaciones que se les dan a esta aleación por lo que su caracterización por medio de metalografía es esencial para la industria moderna.
8S.T. Sulardjaka, S. Atmadja, F. Nugroho, A.D. Adnan, Cahyono, THE EFFECT OF ALLOY ELEMENTS ON FATIGUE STRENGTH OF GRAY CAST IRON AT ROOM AND HIGH TEMPERATURE, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Diponegoro University, Prof. Sudarto, SH Street, Semarang 50275, Indonesia, Available online at Website http://ejournal.undip.ac.id/index.php/rotasi. page 122
9ISMAIL Andijani, SHAHREER Ahmad, A.U. MALIK and S. BASU, “Corrosion behavior of ni-resist cast irons in seawater,saline water” Conversion Corporation,research& development center, Al-Jubail Desalination Plant, SWCC, Al- Jubail.
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3 JUSTIFICACIÓN
La pérdida de material debido a la corrosión siempre ha repercutido fuertemente en la industria, pero al tener el suficiente material para su reposición pareciera que no hay preocupación por la escases de estos materiales como ahora, además del costo energético que implica su obtención de la mina y sus posteriores efectos ambientales que implican la explotación de estos minerales. Una de las soluciones a este problema ha sido el recubrimiento de los metales con resinas epoxicas, una solución temporal que depende del desgaste de los recubrimientos y que hacen uso de otros minerales para la realización de los mismos, es por esto, que este proyecto busca como solución el diseño del material partiendo desde los aleantes en su estado natural, la evaluación de estos por individual, y el proceso de fundición para realizar un material que presente un desgaste mínimo en ambientes agresivos que simulen entornos marinos, donde usualmente los materiales tienden a corroerse más rápido por su alto contenido de hidrocarburos y presencia de sales, de esta manera, este proyecto presentará la caracterización mecánica, microestructural y anticorrosiva de una fundición de hierro aleado en base Níquel.
El hierro gris es empleado para una larga lista de estructuras y aplicaciones en máquinas porque es una excelente combinación de propiedades de ingeniería, fáciles de fundir y económicos.10 Hoy en día la aplicación de estos materiales se puede encontrar en las desalinizadoras que son las que proporcionan el agua potable del 85% del mundo donde se usan grandes bombas de circulación de cargas pesadas de salmueras11, fabricación de camisas para pistones, la eliminación de residuos militares y civiles donde las nuevas tecnologías aprovechan las propiedades del agua, completando una oxidación con altas eficiencias de destrucción12. Pero los materiales para estas aplicaciones son un grave problema. Pruebas de laboratorio y la escala piloto SCWO (sistema de oxidación supercrítico de agua)3, indica que cuando no soporta ambientes tan corrosivos se dan pérdidas significantes de peso y defectos localizados incluyendo corrosión por grieta.
10 G.W. Form AND J.F. Wallace, NICKEL IN GRAY IRON Influence on structure and properties, institute of Technology, Cleveland. INCO, The international Nickel Company. Inc. one New York Plaza, New York, N.Y. 10004
11OSAMA Abuzeid, MOHAMED AbouZour, AHMED Aljoboury and YAHYA Alzafin, Stress Corrosion Cracking of Ductile Ni- Resist Irons and Stainless Steels, Chapter 5, Environmental and Industrial Corrosion - Practical and Theoretical Aspects, © 2012 Abuzeid et al.; licensee InTech..
12 D. B. Mitton, J.H. Yoon, J.A. Cline, H.S. Kim, N. Eliaz, and R. M. Latanision, Corrosion Behavior of Nickel-Based Alloys in Supercritical Water Oxidation Systems, H.H. Uhlig Corrosion Laboratory, Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Room 8-204, Cambridge, Massachusetts 02139,Ind. Eng. Chem. Res. 2000, 39, 4689-4696
18
Lo anterior es debido a la falta de caracterización de las propiedades mecánicas que da la composición química en una aleación de hierro con base de níquel, ya que su composición química y adiciones de otros elementos como el silicio y el cromo, varían el comportamiento de estos materiales sometidos a temperaturas altas y esfuerzos constantes, por esto se pretende evaluar como la adición significante de estos aleantes en una composición química aproximada a una aleación hierro-níquel esferoidal de clase D-2W, afectan el comportamiento de la resistencia a la corrosión, su dureza y flexión de la fundición aleada.
En el mismo orden de ideas este proyecto de investigación propone la caracterización mecánica, por medio de ensayos destructivos que evaluarán estas propiedades, la caracterización microestructural e influencia del tratamiento térmico haciendo uso de la metalografía y por último la resistencia a la corrosión en ambientes agresivos salinos como la salmuera donde se evaluará el efecto de la variación del níquel en la fundición sometida a condiciones de alta temperatura y corrosión.
19
4 OBJETIVOS
4.1 General
Caracterizar y evaluar las propiedades anticorrosivas y mecánicas en una fundición de hierro aleado con níquel.
4.2 Específicos
Obtener los lingotes por el proceso de fundición con la composición química aproximada de (18%Ni, 1.5%Cr, 1.5%Si, 0.5%Mn, 3%C, 0.12- 0.2%Mo).
Evaluar la resistencia a la corrosión de las muestras a partir de los resultados obtenidos.
Analizar la influencia de un tratamiento térmico de homogenización sobre la fundición aleada.
Evaluar mediante el ensayo de dureza y ensayo de flexión las propiedades, mecánicas de dureza y flexión, de la fundición obtenida según la norma ASTM A370.
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5 MARCO TEÓRICO
Las fundiciones de hierro son aleaciones de hierro carbono del 2 al 5%, cantidades de silicio del 2 al 4%, del manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fósforo. Se caracterizan por que se pueden vaciar del horno cubilote para obtener piezas de muy diferente tamaño y complejidad pero no pueden ser sometidas a deformación plástica, no son dúctiles ni maleables y poco soldables pero sí maquinables, relativamente duras y resistentes a la corrosión y al desgaste. Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantes son:
- Más fáciles de maquinar que los aceros.
- Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad.
- En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos.
- Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes.
- Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena resistencia al desgaste.
De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser grises, blancas, atruchadas, aunque también existen las fundiciones maleables, nodulares y especiales o aleadas.
5.1 FUNDICION ALEADA
Las fundiciones aleadas son aquellas que contienen Ni, Cr, Mo, Cu, etc., en porcentajes suficientes para mejorar las propiedades mecánicas de las fundiciones ordinarias o para comunicarles alguna otra propiedad especial, como alta resistencia al desgaste, alta resistencia a la corrosión, al calor etc. 13
5.1.1 Efectos de los Elementos de Aleación en las Fundiciones
Los elementos de aleación modifican la microestructura de las fundiciones y con ello su dureza y resistencia, estando estos cambios influenciados, además, por una variación de la templabilidad.
En la tabla 1 se señala la influencia que los diversos elementos aleados ejercen sobre la formación del grafito y de los carburos y sobre las características de la matriz.14
13CASTROGuillermo, “FUNDICIONES”, DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA F.I.U.B.A.,FEBRERO 2009
14CASTRO Guillermo, “FUNDICIONES”, DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA F.I.U.B.A.,FEBRERO 2009
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Influencia de los aleantes seleccionados en la formación de grafito y de los carburos sobre las matrices metálicas
Elemento
Grafitización y coeficientes
de grafitización
Efecto sobre los carburos
a alta temperatura
Efecto en la estructura del grafito
Efecto en el carbono combinado de la perlita
Efecto que produce en la matriz
Carbono Favorece Decrece
estabilidad Engruesa Decrece fuertemente
Ablanda y favorece la formación de
ferrita
Silicio Favorece+1 Decrece
estabilidad Engruesa Decrece fuertemente
Ablanda y favorece la formación de
ferrita
Aluminio Favorece+0.5 Decrece
estabilidad Engruesa Decrece fuertemente
Ablanda y favorece la formación de
ferrita
Titanio Favorece+0.4 Decrece estabilidad
Afina
fuertemente Decrece
Ablanda y favorece la formación de
ferrita Níquel Favorece+0.35
Decrece ligeramente
estabilidad
Afina fuertemente
Decrece y estabiliza
perlita
Afina la perlita y da
dureza Cobre Favorece+0.20 Indiferente Indiferente Decrece
ligeramente Da dureza Manganeso Se opone -
0.25 Estabiliza Afina
ligeramente Aumenta
Afina la perlita y da
dureza Molibdeno Se opone -0.3 Indiferente Afina
fuertemente
Aumenta ligeramente
Afina la perlita y da
dureza Cromo Se opone -1 Estabiliza
fuertemente
Afina
ligeramente Aumenta
Afina la perlita y da
dureza vanadio Se opone -
0.25
Estabiliza
fuertemente Afina Aumenta
Afina la perlita y da
dureza Tabla 1 Influencia de los elementos aleados sobre la formación de grafito y de los carburos sobre las matrices metálicas, Fuente: L.
SUÁREZ RODRÍGUEZ, 2015
5.1.2 Fundiciones Martensíticas Resistentes al Desgaste
Para la fabricación de piezas que deban tener gran resistencia al desgaste, o que exijan muy altas durezas o deban sufrir grandes presiones, se emplean fundiciones martensíticas al níquel y al manganeso.
Las fundiciones martensíticas más utilizadas son las blancas. Sin embargo, también se fabricaban fundiciones martensíticas que son de usos más restringidos. Fundiciones martensíticas blancas al níquel que suelen contener 4.5% de níquel, 2% de cromo, y bajo silicio, 0.50%, alcanzándose con ellas durezas variables de 500 a 700 Brinell. En América estas fundiciones
22
martensíticas al níquel son fundiciones blancas conocidas con la denominación Ni- hard.
5.2 IMPORTANCIA DE LA ADICIÓN DEL NÍQUEL AL HIERRO GRIS
El níquel aparte de dar a la fundición propiedades anticorrosivas y de resistencia, aporta otras propiedades que para las fundiciones son benéficas en todo sentido, por ejemplo en la figura 4 podemos ver como la solubilidad del carbono en el molde de la fundición del hierro es disminuida a medida que el porcentaje de níquel se incrementa. Este efecto es relativamente menor, pero es significativo en el hierro gris hipoeutéctico porque es más bajo el contenido de carbón, en el eutéctico grafito-austenítico. Cuatro por ciento (4%Ni) de níquel reduce el contenido de carbono del eutéctico sobre un 2%, y se alza su temperatura aproximadamente 25 °F con las correspondientes mejoras en el comportamiento del fundido.
De esta manera el níquel se comporta similarmente al silicio, aunque no al mismo grado. La adición del níquel al hierro gris hipoeutéctico, causa una mayor proporción del hierro a solidificar como el eutéctico en preferencia a la dendrita de la austenita primaria. Como un resultado, la tendencia de la solidificación eutéctica para producir austenita-F𝑒3C es reducida. 15
Figura 4 Efecto de elementos aleantes en el efecto de enfriamiento, contenido total de carbono variando desde un 3-3.3%
El níquel también afecta el comportamiento constitucional del hierro gris en el estado sólido. Este es fácilmente soluble en hierro sólido y actúa para aumentar los rangos de la composición vs temperatura en el que la austenita es estable. El
15G.W. Form AND J.F. Wallace, NICKEL IN GRAY IRON Influence on structure and properties, institute of Technology, Cleveland. INCO, The international Nickel Company. Inc. one New York Plaza, New York, N.Y. 10004
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resultado es que baja la temperatura crítica para la transformación de austenita aproximadamente cuarenta grados Fahrenheit (40°F) por cada porcentaje de níquel.
5.2.1 Efectos del Níquel en las Propiedades de Ingeniería
Maquinabilidad:
La maquinabilidad del hierro gris es principalmente dependiente de la microestructura. Los hierros duros son generalmente difíciles de maquinar, aunque no es realmente un criterio. El mayor volumen de metal removido por la herramienta de molienda y la menor potencia requerida son encontradas con hierros ferriticos contenidos de hojuelas de grafito. La maquinabilidad del hierro gris decrece como la cantidad de perlita en la matriz incrementa.
La cantidad de incluso pequeñas cantidades de cementita perjudica drásticamente la maquinabilidad particularmente a velocidades altas de herramienta. 16
Figura 5 Efecto del Níquel en la maquinabilidad de un hierro gris.
Presión de espesor:
La densa estructura gris es necesaria para las fundiciones que son diseñadas para soportar considerables presiones internas sin permitirse ninguna fuga, fugas o inclusive fallas debido a la presión interna que pueden resultar en contracciones internas debido a su grafito en hojuelas. Dados que estas contracciones y deformaciones internas de la fundición se ven incrementados por el proceso de fabricación de estos materiales y el níquel ayuda a evitar estas contracciones en el proceso de solidificación y refrigeración de la fundición en estado de colada,
16 Engineering Properties and Application of Nickel-Iron, INGO (Nov. 1961).
24
además de contrarrestar el efecto que tiene el fósforo en la formación de micro poros y que se agravan por la formación de carburos formados por otros aleantes17
Resistencia a la corrosión:
La resistencia a la corrosión de aleaciones de baja y media aleación es principalmente considerada por la presencia de hojuelas de grafito, solvencia, contenido de silicio y estructura 18 . La adición de aleantes al hierro gris aumenta la resistencia a la corrosión modificando la matriz ya que una fina perlita es preferida a una estructura ferritica. La adición de aleantes es ventajosa en ambientes alcalinos y ácidos donde el hierro tiene poca resistencia al ataque corrosivo.
Figura 6 Efecto del Silicio en la pérdida de peso de una fundición gris
Figura 7 Efecto del Níquel en la pérdida de peso de una fundición de Hierro gris.
17K. Schichtel and E. Piwowwarsky, “The effect of Carbon of Phosphorus, Silicon and Nickel on the Solubility of Carbon in Liquid Iron”, ArchinEisenhuttenwesen, vol. 3, p. 139(1929).
18 Engineering Properties and Application of Nickel-Iron, INGO (Nov. 1961).
25 5.2.2 Principio teórico de la corrosión
Se le llama corrosión a la oxidación espontánea de los metales que se debe a un ataque destructivo del medio ambiente, a través de reacciones químicas o electroquímicas. En la corrosión electroquímica los átomos del metal son oxidados dejando la red del metal como iones, creando un exceso de electrones en la superficie del metal. Estos electrones pueden ser transferidos a una especie activa en el electrolito produciéndose la reacción de reducción. La reacción de corrosión se conoce como reacción anódica y las áreas del electrodo donde ocurre se les llama ánodos. La electroneutralidad de la materia exige que en otros puntos, conocidos por cátodos, se reduzca alguna sustancia del medio ambiente en contacto con el material metálico. Las áreas donde ocurre la reacción catódica (de reducción) se denominan cátodos.
En el caso del acero, la reacción anódica que tiene lugar es:
𝐹𝑒 → 𝐹𝑒2++ 2𝑒̅
Consecuentemente, una reacción catódica tiene que tener lugar para iniciar y mantener la corrosión metálica.
Un ejemplo de reacción catódica es la reducción de protones.
2𝐻++ 2𝑒̅ → 𝐻2
La reacción de corrosión total será la suma de ambas reacciones.
𝐹𝑒 + 2𝐻+ → 𝐹𝑒2++ 𝐻2
Tanto la reacción anódica como catódica dan lugar a corrientes llamadas anódica y catódica respectivamente y la corriente total suma de ambos procesos es proporcional a la velocidad de corrosión.
Principio electroquímico
La corrosión electrolítica se define como el desgaste progresivo de un metal por medio de la materia y un medio, por medio de este desgaste tiene a volver a un estado primitivo o natural del material que es el Oxido.
Uno de los problemas más serios de la industria lo ha constituido la corrosión que produce daños por miles de millones de dólares al año. La corrosión en esencia es un proceso electroquímico que origina parte o el total del metal que está transformándose del estado al iónico. La corrosión requiere un flujo de electricidad entre ciertas áreas de la superficie de un metal a través de un electrolito el cual es cualquier solución que contiene iones, Los iones son átomos o grupos de átomos
26
eléctricamente cargados por ejemplo , el agua pura contiene iones hidrogeno positivamente cargados (H+) y iones hidroxilo negativamente cargados (OH-) en cantidades iguales. Por tanto, el electrolito puede ser agua pura, agua salada o soluciones acidas o alcalinas de cualquier concentración. Para completar el circuito eléctrico, debe haber dos electrodos, un ánodo y un cátodo, mismos que deben conectarse. Los electrodos puedes ser dos diferentes clases de metales o distintas áreas sobre la misma pieza de metal.
Figura 8 Formación de Iones en el ánodo, y de hidrógeno en el cátodo en una celda de acción local (The international Nickel Company)
La conexión entre el ánodo y el cátodo puede ser mediante un puente metálico, pero en la corrosión se lleva a cabo simplemente por contacto. Para que fluya la electricidad, debe haber una diferencia de potencial entre los electrodos.19
Si una pieza de hierro común se coloca en una solución de ácido hidroclórico, se observara un vigoroso burbujeo de gas hidrogeno. Sobre la superficie del metal hay numerosas y pequeñísimas áreas cátodo y ánodo producidas por las inclusiones en el metal, las imperfecciones superficiales m los esfuerzos localizados, la orientación en los granos o quizás las variaciones en el medio, como se muestra en la figura 8. En el ánodo, los átomos de hierro positivamente cargados se separan por si mismos de la superficie sólida y entran a la solución como iones positivos, mientras que las cargas negativas, en la forma de electrones, se dejan atrás en el metal. En el cátodo, los electrones chocan y neutralizan algunos iones hidrógeno positivamente cargados, los cuales han llegado a la superficie a través del electrolito. Al perder su carga, los iones positivos llegan a ser átomos neutrales nueva mente y se combinan para formar gas hidrogeno. Así, conforme este proceso avanza la oxidación y la corrosión del hierro se presenta en los ánodos y el desvestimiento de hidrogeno ocurre en los cátodos. La cantidad de metal que se disuelve es proporcional al número de
19SYDNEY H. Avner , “Introducción a la metalurgia Física”, traductor Lic. ESTRADA HAEN José Luis, segunda edición editorial Mc Graw Hill
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electrones que fluyen, lo cual a su vez depende del potencial y de la resistencia del metal.
6 MARCO LEGAL Y NORMATIVO
Para la realización de este proyecto se aplicarán pruebas mecánicas y de corrosión de acuerdo a la norma técnica colombiana NTC 3353 que es equivalente a la ASTM A370:1995 (American Soviet foro Testan and Material), para los requerimientos de calidad en los ensayos mecánicos, que incluyen los de flexión y Brinell, especificando el procedimiento y requerimientos para hacer un ensayo mecánico de calidad, editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y de Certificación (ICONTEC).
Esta norma cumple procedimientos y definiciones mecánicos de productos de aceros fundidos. Los ensayos mecánicos descritos en esta norma se usan para determinar las propiedades requeridas en la especificación del producto.
La NTC 523 y la ASTM E290 contienen los métodos para realizar el ensayo de flexión.
UNE-EN ISO 6506-1:2006 Normas de referencia para la dureza Brinell: Materiales metálicos. Ensayo de dureza Brinell. Parte 1: Método de ensayo (ISO 6506-
1:2005)
ASTM B117.Para realizar el ensayo de corrosión en cámara salina se dispondrá de esta norma y se tendrán en cuenta las recomendaciones sobre disposición de las muestras dentro de la cámara salina.
ISO 8407 Para retirar los productos corrosivos y evaluación de la velocidad de corrosión mediante la determinación de la pérdida de masa y el cálculo de la velocidad de corrosión correspondiente.
ASTM A 48 Ensayos destructivos para fundiciones de hierro gris, esta norma menciona dimensiones de muestras para ensayos mecánicos en fundiciones grises
28
7 DISEÑO METODOLÓGICO
Caracterización para el ensayo de corrosión
Para la caracterización de este tipo de materiales, primero se debe tenerse en cuenta los ambientes y exposiciones a los que están sometidos, anteriormente, y en estudios previos; se ha demostrado que estos materiales están sometidos a ambientes marinos, por lo que la exposición de este material será de 720 horas al considerar las características de dureza del material y el porcentaje de Níquel que puede ser descrito como un Ni-Hard, por lo que su caracterización corrosiva está determinadas por la norma ASTM B117
Ensayos de corrosión realizados bajo normativa
Tabla 2 Parámetros del ensayo de corrosión bajo norma ASTM B117
Dispositivo
Experimental Ciclos
Duración total del
ciclo
Disolución
salina PH Temp.
(ºC)
Humedad (%)
Presión (psi)
ASTM B117
Inmersión alternada y
cámara climática
1 ciclo
continuo 720 hr NaCl 5% 6.8±0,3 35
50 o 95%
según ciclo
10-25
Tabla 2 Condición experimental del ensayo de corrosión. Fuente L. SUÁREZ RODRÍGUEZ, 2015.
Esta norma define un método de ensayo de corrosión acelerada para simular la corrosión atmosférica en ambientes donde hay una influencia significativa de iones cloruro.
Para determinar la pérdida de masa debida a la corrosión de las muestras de ensayo, se seguirá la norma ISO 8407 (Corrosion of metals and alloys – Removal of corrosión products from corrosion test specimens).
1. Cepillado suave de los productos de corrosión utilizando cepillo de cerdas metálicas.
2. Inmersión de las piezas en un baño con disolución limpiadora durante diez minutos.
3. Enjuagado con agua del grifo.
4. Enjuagado con etanol.
5. Secado.
6. Determinación de la pérdida de peso (se recomienda por balanza de precisión de 0.1 mg)
29
Caracterización para el ensayo Mecánico
La preparación de las muestras estará establecida a los ensayos mecánicos que se someterán las mismas con el fin de caracterizar algunas de las propiedades mecánicas del material. Los ensayos mecánicos de los que se someterá el material y del cual son parte de la investigación de este proyecto, serán principalmente flexión y dureza.
Para el ensayo de dureza se requieren muestras de pequeñas dimensiones que puedan ser observadas por un durómetro Shimadsu (que es el que proporcionó la universidad) y, una muestra tipo moneda pulida y limpia.
Para el ensayo de flexión se necesita de unas muestras especiales cuyo diseño está definido por la norma ASTM A 48 para este tipo de fundición de hierro gris.
Tabla 3 TAMAÑO NORMAL PARA ENSAYO DE HIERRO FUNDIDO PARA ENSAYO DE FLEXIÓN
Diámetro Nominal PULG. “D”
Sección que controla los vaciados PULG. Distancia entre apoyos PULG
“L”
DIAMETRO LONGITUD “LT”
0.5 0,875 15 12
Fuente Norma ASTM A 48, 2012
Diseño de la muestra (cotas en pulgadas)
Figura 9 Diseño de barra de Hierro fundido ASTM A 48
Por lo que las dimensiones de las probetas están dadas para un diámetro de 0,5”
pulgadas de diámetro por 15” pulgadas de largo, para una densidad de fundición de 7,8 gr/cmᵌ y para un número de probetas mínima de ocho muestras para el diseño experimental.
30
Calculo de la masa para 10 muestras Ө=0.5 in
ρ=7.8 gr/cmᵌ V=∏ (Ө/2)² L
𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉 𝑚 = 𝜌 ∙ 𝜋 ∙ (Ө/2)² ∙ L
𝑚 =7.8𝑔𝑟
𝑐𝑚3 (𝜋)(0,25𝑖𝑛)2(15𝑖𝑛) (2,54𝑐𝑚
1𝑖𝑛 )
3
𝑚 = 376,45𝑔𝑟 = 0,37 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎
10 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑠 𝑢𝑛 15% 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 = 4.25𝐾𝑔 ≈ 5𝐾𝑔
“Se redondea el valor a 5 Kg de masa ya que el horno de fundición es un horno industrial que funciona con cargas altas de masa, en el capítulo del proceso de fundición se mostrarán algunos de los inconvenientes que se presentaron al fundir tan poco material y algunas recomendaciones al momento de fundir.”
Balance de Carga
Este es un punto importante en el momento de la fundición, ya que el correcto balance dará una aproximación en los resultados de la composición química de la aleación final.
Todo parte de la composición química de los aleantes o elementos que una vez fundidos determinarán la composición química esperada, el hierro será el componente mayoritario en la aleación, para poder tener una composición homogénea no variable, se optó por buscar fundición gris de un solo elemento o estructura para no variar su composición de carbono, se tomó una muestra, se pulió y se mandó a realizar análisis de composición química en la Universidad Nacional, la composición del resto de aleantes fue dada por METALBARCAS Ltda.
http://www.metalbarcas.com/. Suministradora de ferro-aleantes y materiales para la metalurgia, donde se realizó la compra del material. Estas composiciones químicas se encuentran en el anexo.
