Efecto de la temperatura de recocido en una fundición gris perlítica sobre la microestructura, dureza, resistencia a la tracción y ductilidad

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(1)BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA. EFECTO DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO EN UNA FUNDICIÓN GRIS PERLÍTICA SOBRE LA MICROESTRUCTURA, DUREZA, RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y DUCTILIDAD TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:. INGENIERO METALURGISTA AUTORES:. Br. DÍAZ LÓPEZ, Steven Rafael. Br. VICHEZ LEZAMA, Jhonatan Alex.. ASESOR:. Dr. Ing. PURIZAGA FERNÁNDEZ, Ismael Trujillo – Perú 2019. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA. A Dios: Por ser mi creador, el motor de mi vida, por no haber dejado que me rinda en ningún momento e iluminarme para salir adelante, por haberme dado la sabiduría y el entendimiento para poder llegar al final de mi carrera y por proveerme de todo lo necesario para salir adelante.. A mis padres Rafael Díaz Castillo y Dorila López Angeles, pilares fundamentales en mi vida, con mucho amor y cariño les dedico todo esfuerzo, en reconocimiento a todo el sacrificio puesto para que pueda estudiar, se merecen esto y mucho más.. Gracias a Dios por permitirme conocer a mi esposa Mariela Armas Vela, por apoyarme en todo momento y a mi hijo Nicolás por llenar mis días de alegría, dedico este proyecto, a cada uno de mis seres queridos, quienes han sido mis pilares para seguir adelante. Es para mí una gran satisfacción poder dedicarles a ellos, que con mucho esfuerzo, esmero y trabajo me lo he ganado.. Steven Rafael. i Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA. A: Dios, por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.. A mis padres Felipe Vichez Terrones y Celia Lezama Paredes, por darme la vida, quererme mucho y creer en mí. Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor.. A Mi hermano, Luis Vichez, para que vea en mí un ejemplo a seguir, dedico este proyecto, a cada uno de mis seres queridos, quienes han sido mis pilares para seguir adelante. Es para mí una gran satisfacción poder dedicarles a ellos, que con mucho esfuerzo, esmero y trabajo me lo he ganado.. Jhonatan Alex. ii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. AGRADECIMIENTO. Nuestro sincero agradecimiento a la Universidad Nacional de Trujillo y Escuela Académico Profesional de Ingeniería Metalúrgica y a su excelente plana docente en la cual labora, quienes enseñanza tras enseñanza hicieron posible nuestra formación profesional. Al Departamento Académico de Ingeniería de Minas y Metalúrgica por el uso de los ambientes y equipos de los laboratorios de metalurgia física donde se prepararon los materiales para la ejecución del presente estudio. Queremos agradecer públicamente a nuestro asesor Dr. Ing. Ismael Purizaga Fernández, por hacer posible este proyecto, por su buen criterio para el desarrollo de la misma y la dedicación constante para la culminación. Los autores. iii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. RESUMEN En esta investigación se ha estudiado el efecto de la temperatura de recocido por 6 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) en una fundición gris perlítica, sobre la resistencia a la tracción, ductilidad, dureza y microestructura. Se emplearon barras cilíndricas de diámetro 15 mm x 200 mm de longitud, suministrados por la Fundición Metalúrgica y Servicios Afines (FUMETSA), que fueron recocidas a las temperaturas de 800, 850, 900, 950 y 1000°C por 6 horas con enfriamiento lento (dentro del horno), y maquinadas para el ensayo de tracción según norma ASTM E8-98 y para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140. Los resultados muestran que al incrementar la temperatura de recocido, la resistencia a la tracción disminuye desde 196.00 MPa para 800°C hasta 149.70 MPa para 1000°C. Con respecto a la ductilidad (% elongación), ésta aumenta con el incremento de la temperatura de recocido desde 1.80% para 800°C hasta 3.40% para 1000°C, y con respecto a la dureza, ésta disminuye con el incremento de la temperatura de recocido desde 133.70 HB para 800°C hasta 109.00 HB para 1000°C, esto debido a la descomposición de la austenita en ferrita y grafito en forma de hojuelas (Gf) que para 800 y 850°C la descomposición es parcial, mientras que para 900, 950 y 1000°C la descomposición de la austenita en ferrita es total obteniéndose una fundición gris ferrítica. Los valores de resistencia a la tracción (MPa) y ductilidad (%) para todos los niveles de temperatura de recocido son bajos debido a las hojuelas de grafito (Gf) que actúan como concentrador de tensión. La temperatura mínima de recocido, en la cual la descomposición de la austenita en ferrita es total en las condiciones de estudio, es de 900°C y que el grafito (Gf) es estable en todos los procesos realizados. Se concluye que la temperatura de recocido afecta significativamente la resistencia a la tracción, ductilidad y dureza según el análisis estadístico con un 95% de confiabilidad. Palabras claves: Fundición gris, perlita, ferrita, grafito, recocido, dureza, resistencia a la tracción.. iv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ABSTRACT In this investigation, the effect of the annealing temperature for 6 hours with slow cooling (inside the furnace) in a pearlitic gray cast iron, on the tensile strength, ductility, hardness and microstructure has been studied. Cylindrical bars with a diameter of 15 mm x 200 mm in length were used, supplied by the Metallurgical Foundry and Related Services (FUMETSA), which were annealed at temperatures of 800, 850, 900, 950 and 1000 ° C for 6 hours with slow cooling (inside the furnace), and machined for the tensile test according to ASTM E8-98 standard and for the hardness test according to ASTM E-140 standard. The results show that by increasing the annealing temperature, the tensile strength decreases from 196.00 MPa for 800 ° C to 149.70 MPa for 1000 ° C. With respect to the ductility (% elongation), this increases with the increase of the temperature of annealing from 1.80% for 800 ° C to 3.40% for 1000 ° C, and with respect to the hardness, this decreases with the increase in temperature of annealing from 133.70 HB for 800 ° C to 109.00 HB for 1000 ° C, this due to the decomposition of the austenite in ferrite and graphite in the form of flakes (Gf) that for 800 and 850 ° C the decomposition is partial, while for 900, 950 and 1000 ° C the decomposition of austenite in ferrite is total, obtaining a ferritic gray cast iron. The values of tensile strength (MPa) and ductility (%) for all levels of annealing temperature are low due to the graphite flakes (Gf) that act as a voltage concentrator. The minimum annealing temperature, in which the decomposition of austenite in ferrite is total under the study conditions, is 900 ° C and that graphite (Gf) is stable in all the processes carried out. It is concluded that the annealing temperature significantly affects the tensile strength, ductility and hardness according to the statistical analysis with. 95%. reliability.. Keywords: Gray cast iron, pearlite, ferrite, graphite, annealed, hardness, tensile strength.. v Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ÍNDICE Dedicatoria..........................................................................................................................i Agradecimiento ............................................................................................................... iii Resumen ...........................................................................................................................iv Abstract .............................................................................................................................. v Índice ................................................................................................................................vi Lista de tablas ...................................................................................................................ix Lista de figuras .................................................................................................................. x. CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Realidad problemática ....................................................................................................... 1 1.2 Antecedentes ...................................................................................................................... 3 1.3 Fundamento teórico ........................................................................................................... 5 1.3.1 Fundiciones o hierros fundidos ....................................................................................... 5 1.3.2 Clasificación de las fundiciones ...................................................................................... 6 1.3.3 Fundición Gris ................................................................................................................. 9 1.3.4 Propiedades generales de las fundiciones grises ........................................................... 12 1.3.5 Tratamientos térmicos de las fundiciones grises ........................................................... 13 1.3.6 Recocido ........................................................................................................................ 14 1.3.7 Ensayo de dureza........................................................................................................... 17 1.3.8 Ensayo de tracción ........................................................................................................ 19 a. Resistencia a la tracción ................................................................................................ 21 b. Ductilidad ...................................................................................................................... 22 1.4 Problema .......................................................................................................................... 24 1.5 Hipótesis .......................................................................................................................... 24 1.6 Objetivos.......................................................................................................................... 24 1.6.1 Objetivos generales ....................................................................................................... 24. vi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.6.2 Objetivos específicos .................................................................................................... 25. CAPÍTULO II MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Material de estudio .......................................................................................................... 26 a. Composición química ....................................................................................................... 26 b. Propiedades mecánicas ..................................................................................................... 26 c. Características metalográficas .......................................................................................... 27 2.1.1. Muestra ......................................................................................................................... 28 2.1.2. Equipos, instrumentos, materiales consumibles y reactivos......................................... 29 2.2. Métodos y técnicas .......................................................................................................... 30 2.2.1. Método ......................................................................................................................... 31 2.2.2. Modelo Experimental ................................................................................................... 31 2.2.3. Matriz de datos ............................................................................................................. 32 2.3. Procedimiento experimental ............................................................................................ 33. CAPÍTULO III RESULTADOS 3.1. Resultados del ensayo de tracción ................................................................................... 36 a. Resistencia a la tracción .................................................................................................. 36 b. Ductilidad ........................................................................................................................ 37 3.2. Resultados del ensayo de dureza ..................................................................................... 38 3.3. Resultados del análisis microestructural ......................................................................... 39. CAPÍTULO IV DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4.1. Del ensayo de tracción ..................................................................................................... 46 a. De la resistencia a la tracción ........................................................................................... 46 vii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. b. De la ductilidad ................................................................................................................ 47 4.2. De la dureza ..................................................................................................................... 48 4.3. De la microestructura....................................................................................................... 49. CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. Conclusiones .................................................................................................................... 51 5.2 .Recomendaciones ............................................................................................................ 52 Referencias bibliográficas ............................................................................................... 53. APÉNDICE I ANÁLISIS ESTADÍSTICO I.1. Modelo estadístico ............................................................................................................ 55 I.2. Análisis de varianza para el diseño de un solo factor....................................................... 55 I.3. Análisis de residuos ......................................................................................................... 60. APENDICE II CÁLCULOS COMPLEMENTARIOS II.1. Cálculo del carbón equivalente (CE) ............................................................................... 63 II.2. Cálculo del porcentaje de fases de la fundición gris a temperatura ambiente (25°C) .... 63 II.3. Cálculo del porcentaje de fases de la fundición gris transformada a fundición ferrítica a temperatura ambiente ...................................................................................................... 64. ANEXOS Fotografías ....................................................................................................................... 65. viii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. LISTADO DE TABLAS Tabla 1.1. Contracción durante solidificación ................................................................. 12 Tabla 2.1. Composición química de la fundición gris perlítica ....................................... 26 Tabla 2.2. Propiedades mecánicas de la fundición gris perlítica ..................................... 26 Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para análisis de los resultados ................ 32 Tabla 2.4. Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor para determinar los resultados de las variables independientes en estudio ............................................... 32 Tabla 3.1. Resultados de la resistencia a la tracción (MPa) obtenidas en probetas de fundición gris perlítica recocidas a las temperaturas de estudio por 6 horas y enfriamiento lento (dentro del horno) .............................................................................. 36 Tabla 3.2. Resultados de ductilidad (% elongación) obtenidas en probetas de fundición gris perlítica recocidas a las temperaturas de estudio por 6 horas y enfriamiento lento (dentro del horno) ............................................................................................................ 37 Tabla 3.3. Resultados del ensayo de dureza Brinell (HB) en probetas de fundición gris perlítica recocidas a las temperaturas de estudio por 5 horas y enfriamiento lento (dentro del horno).. ...................................................................................................................... 38 Tabla I.1. Tabla de datos a calcular para el análisis de varianza de un solo factor ......... 56 Tabla I.2. Análisis de varianza de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) obtenidos en probetas de fundición gris perlítica recocido a las temperaturas de estudio por 6 horas y enfriamiento lento (dentro del horno) ........................................................ 57 Tabla I.3. Análisis de varianza de los resultados de ductilidad (% elongación) obtenidas en probetas de fundición gris perlítica recocido a las temperaturas de estudio por 6 horas y enfriamiento lento (dentro del horno) ........................................................................... 58 Tabla I.4. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) obtenidas en probetas de fundición gris perlítica recocido a las temperaturas de estudio por 6 horas y enfriamiento lento (dentro del horno) .............................................................................. 59. ix Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. LISTADO DE FIGURAS Figura 1.1. Dibujos esquemáticos de las cinco tipos de hierros fundidos ......................... 6 Figura 1.2. Tramo correspondiente a las composiciones de las fund. industriales............ 8 Figura 1.3. Fundición gris ................................................................................................. 9 Figura 1.4. Diagrama Hierro – Grafito ............................................................................ 11 Figura 1.5. Ciclos más empleados para el recocido de la fundición gris ........................ 17 Figura 1.6. Método de ensayo de dureza Brinell ............................................................ 18 Figura 1.7. Probeta de tracción normalizada con sección transversal circular ................ 19 Figura 1.8. Representación esquemática del aparato utilizado para realizar ensayos de tracción….. ...................................................................................................................... 20 Figura 1.9. Comportamiento de esfuerzo-deformación típico hasta la fractura .............. 22 Figura 1.10. Grafica de esfuerzo – deformación a la tracción para materiales frágiles y dúctiles ensayados hasta la fractura ................................................................................. 23 Figura 2.1. Fotomicrografía de la fundición gris en estudio en estado fundido (suministro)...................................................................................................................... 27 Figura 2.2. Geometría y medidas de las barras cilíndrica de fundición gris para la obtención de probetas ...................................................................................................... 28 Figura 2.3. Probeta para el ensayo tracción según norma ASTM E8-98 ........................ 28 Figura 2.4. Probeta cilíndrica para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140, y para el análisis microestructural ...................................................................................... 29 Figura 2.5. Diagrama de bloques del procedimiento experimental ................................. 33 Figura 3.1. Efecto de la temperatura de recocido sobre la resistencia a la tracción (MPa) en una fundición gris perlítica ......................................................................................... 37 Figura 3.2. Efecto de la temperatura de recocido sobre la ductilidad (% elongación) en una fundición gris perlítica .............................................................................................. 38 Figura 3.3. Efecto de la temperatura de recocido sobre la dureza (HB) en una fundición gris perlítica ..................................................................................................................... 39 x Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura 3.4. Fotomicrografía de la fundición gris en estado fundido (suministro). Sin ataque químico................................................................................................................. 40 Figura 3.5. Fotomicrografía de la fundición gris en estado fundido (suministro). Ataque químico: Nital 3%............................................................................................................ 40 Figura 3.6. Fotomicrografía de la fundición gris recocido a 800°C ............................... 41 Figura 3.7. Fotomicrografía de la fundición gris recocido a 850°C ................................ 42 Figura 3.8. Fotomicrografía de la fundición gris recocido a 900°C ............................... 43 Figura 3.9. Fotomicrografía de la fundición gris recocido a 950°C ................................ 44 Figura 3.10. Fotomicrografía de la fundición gris recocido a 1000°C ............................ 45 Figura I.1. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de resistencia a la tracción en probetas de fundición gris perlítica recocidos a las diferentes temperaturas de estudio por 6 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) .................................. 60 Figura I.2. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de ductilidad en probetas de fundición gris perlítica recocidos a las diferentes temperaturas de estudio por 6 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) .................................................... 61 Figura I.3. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de dureza en probetas de fundición gris perlítica recocidos a las diferentes temperaturas de estudio por 6 horas con enfriamiento lento (dentro del horno) .................................................... 62 Figura II.1. Diagrama Hierro – Grafito. .......................................................................... 63 Figura A.1. Barras de fundición gris perlítica de 15 mm de diámetro x 200 mm de longitud con tratamiento térmico de recocido ................................................................. 65 Figura A.2. Probetas para el ensayo de resistencia a la tracción, según norma ASTM E898……….. ...................................................................................................................... 65 Figura A.3. Probetas para la medición de dureza, según norma ASTM E-140 ............... 65 Figura A.4. Máquina cortadora de probetas BAINCUT – M .......................................... 65 Figura A.5. Horno eléctrico tipo mufla de 0 – 1200°C con control automático de temperatura para recocido de probetas ............................................................................ 66. xi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura A.6. Durómetro digital universal TIME GROUP 187.5 para medición de dureza (HB)…….. ...................................................................................................................... 66 Figura A.7. Medición de la dureza en la escala Brinell (HB) .......................................... 66 Figura A.8. Microscopio metalográfico Leica de 50 a 1000X ....................................... 66 Figura A.9. Análisis microestructural de probetas de fundición gris perlítica ................ 67 Figura A.10. Máquina de tracción universal JINAN CORPORATION de 10 Ton ........ 67 Figura A.11. Instalación de la probeta de tracción en la máquina universal de 10 Ton. para la realización del ensayo .......................................................................................... 67 Figura A.12. Probeta fracturada después del ensayo de tracción .................................... 67 Figura A.13. Probetas de fundición gris fracturadas después del ensayo de tracción ..... 68. xii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CAPITULO I. INTRODUCCIÓN. 1.1. Realidad problemática Una de las más antiguas y más común de los materiales ferrosos conocidos por el hombre es la fundición gris, y hasta pocos años atrás, era considerado generalmente por los ingenieros, constructores y proyectistas como un material frágil sin ninguna ductilidad y con buena resistencia al desgaste y compresión, pero con muy poco resistencia a la tracción. (Askeland D., 2006, p. 283 – 285). De los diferentes tipos de fundiciones grises, la fundición gris perlítica, es en general, las más utilizadas en la construcción mecánica, y se puede decir que el 95% de las fundiciones que se fabrican en la actualidad son fundiciones grises. Cuando no se exigen características mecánicas muy elevadas, las condiciones más interesantes que, en general, conviene que cumplas las fundiciones son: 1) que se cuelen bien, 2) que se mecanicen con facilidad y 3) que no tengan poros. (Apraiz J., 1963, p. 18 – 20). En las fundiciones grises que en la práctica son las más importantes aparecen durante la solidificación y posterior enfriamiento láminas de grafito, que al originar discontinuidades en la matriz, son las causantes de que las características mecánicas de las fundiciones grises sean, en general, muy inferiores a las de los aceros, aunque sean sin embargo, suficiente para muchísimas aplicaciones. 1 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. En la región y en el país, el sector metal mecánico, automotriz, agroindustrial y minero se ha incrementado considerablemente, donde el reemplazo de piezas; como tambores de frenos, implemento agrícolas, bocinas, carcasas, cilindros de motores, etc, que son fabricados de fundición gris; es inevitable debido a que están sometidas al desgaste, falla por fatiga y falla por sobreesfuerzos, además la carencia de estas piezas con el mismo tipo de fundición y con las mismas propiedades mecánicas que requieren estos componentes, causan a las empresas pérdidas debido a que fallan prematuramente por desgaste o por fuerzas de impacto causando fractura frágil y fallas catastróficas con pérdidas económicas y muchas veces vidas humanas.. Todas las fundiciones que existen en la zona, que producen piezas de fundición gris perlítica, lo hacen en horno cubilote de manera empírica o práctica, sin ningún control técnico en los parámetros de control en la obtención de dicha fundición, dando como resultados piezas con excesiva cantidad de inclusiones tales como la esteadita (Fe3 P), grafito de hojuela muy bastos, tamaño de granos muy grandes, poros y rechupes resultando piezas con propiedades mecánicas deficientes, para el servicio muy por debajo de los requeridos, y lo que es peor aún producen fundición gris achilada (casi fundición blanca) que es dura y frágil, que por desconocimiento de los tratamientos térmicos que se aplican a la fundición gris, como es el caso del recocido de ferritización para ablandar la fundición y darle algo de ductilidad, estos son rechazados, causando pérdidas económicas al fabricante de dichas piezas.. Debido a esto se consideró necesario evaluar el efecto de la temperatura de recocido en la obtención de una fundición gris ferrítica, con respecto a la microestructura, resistencia a la. 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. tracción, tensión de fluencia y dureza y además la temperatura minima en la cual la fundición gris es completamente ferrítica.. 1.2. Antecedentes Quispe D. y Jara V. (2012) en la investigación sobre la temperatura de temple y temperatura de revenido en una fundición gris perlítica grado 40, concluye que: la temperatura de temple en el rango de 800 a 1000°C con temple en aceite y la temperatura de revenido en el rango de 300 a 600°C afectan considerablemente la dureza, resistencia a la tracción y ductilidad (% elongación) de la fundición gris perlítica grado 40. Y para 800°C se obtuvo el valor más bajo de 285.70 HB debido a que a esta temperatura existe austenita, ferrita y grafito, y el valor más alto fue para 850°C de 524.50 HB y a temperatura más altas la dureza disminuye ligeramente debido al incremento de la austenita retenida.. Martínes H. y Palacios J. (2008) mencionan que: el hierro gris, el hierro nodular o dúctil se forma con la reacción eutéctica L  ϒ + grafito. La fundición gris contiene pequeñas hojuelas entrelazadas de grafito, y que la estructura final de la matriz depende parcialmente de la rapidez de enfriamiento. Cuando la fundición que contiene grafito se enfría lentamente (dentro del horno) la austenita se transforma en ferrita y grafito adicional, este tratamiento se llama recocido.. Fernández D. y Olivar P. (2008) investigaron sobre el tratamiento térmico de ferritización de una fundición gris perlítica, concluyen: Que el tratamiento de ferritización para todas las fundiciones grises con características similares, requieren una permanencia de. 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. tres horas por cada 25mm de espesor a la temperatura de 850°C (para asegurar la austenización. de. las. fases. presentes). y enfriar muy lentamente hasta los 740°C. aproximadamente, manteniendo la pieza a esa temperatura por tres horas más para luego enfriarlo en el horno a puerta cerrada, consiguiendo de esta manera 64% de ferrita.. Bravo F. (2005) investigo sobre la descomposición de la perlita a varias temperaturas en fundiciones grises, que contienen 1.93 %Si y 2.68 %Si, Se determinó que la perlita siempre se descompone en ferrita más rápidamente en fundiciones con alto contenido de silicio (2.68 %Si) y que para una temperatura de recocido a 750 °C, la perlita se descompone en ferrita en 10 minutos, sin embargo para una fundición de bajo contenido de silicio (1.93 %Si) requiere 45 minutos y que elementos como el manganeso, níquel, cromo, vanadio y fosforo estabilizan carburos y retardan la descomposición de la perlita en ferrita.. Toro E. (2003) Estudio sobre el tratamiento térmico a fundiciones grises concluye: Que de los tratamientos térmicos de perlitización y ferritización efectuadas, se deduce que el tiempo necesario para la descomposición de la perlita en ferrita es función de la composición química, espesor de pieza y porcentaje de la fase presente.. Zaktar J. y Cossio E. (1989) en el estudio sobre la composición química de las fundiciones grises en los tratamientos térmicos concluyen: Que la heterogeneidad química de las. muestras. analizadas. tienen. influencia. apreciable. en. los. tratamientos. térmicos,. principalmente en la ferritización y es causante de una ferritización incompleta y de las pruebas efectuadas en los tratamientos térmicos se ha demostrado que la temperatura de 740. 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. °C es crítica, para la formación de la ferrita y si la pieza pasa, por ese rango de temperatura sin el respectivo tiempo de permanencia, entonces la ferritización en el recocido no fue exitosa.. Birchenall C., et al (1986) en la investigación menciona que: la resistencia a la tracción y a la compresión en la fundición gris son diferentes en vez de ser iguales entre sí, como en los aceros. Y que para bajas durezas, la resistencia a la compresión llega a ser unas 5 veces mayor que la resistencia a la tracción y para altas resistencias esa relación baja a 2.5. Al considerar la resistencia de las fundiciones grises concluye que en ella intervienen por una parte la resistencia de la matriz y por otra, hay que tener en cuenta la influencia de las láminas de grafito. Por lo tanto, para el problema de aumentar la resistencia de la fundición, se debe estudiar teniendo en cuenta los dos factores: la matriz y las láminas de grafito.. Zakhartchenko F., et al. (1979) Investigaron sobre el tratamiento térmico de recocido a una fundición gris perlítica, menciona que: todas las fundiciones en las que el carbono se encuentra en estado libre, formando grafito laminar son fundiciones grises y que con el tratamiento térmico de recocido en el rango de 740 °C a 900°C se obtiene fundición gris ferrítica que llegan a tener desde 8% hasta 14% de ductilidad.. 1.3. Fundamento teórico 1.3.1. Fundiciones o hierros fundidos Las fundiciones ferrosas son básicamente aleaciones de hierro, carbono y silicio. Con relación con el diagrama hierro- carbono de hierro, los hierros fundidos contienen más. 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. cantidad de carbono que la necesaria, para saturar austenita a la temperatura eutéctica; por tanto, contiene entre 2 y 6.67% de carbono.. Como el alto contenido de carbono tiende hacer muy frágil el hierro fundido la mayoría de los tipos manufacturados comercialmente están en intervalo de 2.5 a 4% carbono y silicio de 1 a 3%. (Askeland D., 2006, p. 504). 1.3.2. Clasificación de las fundiciones Controlando la reacción eutéctica que ocurre, la forma del grafito que se precipita y el tratamiento del hierro, pueden producirse cinco diferentes tipos de fundición las cuales se muestran en la figura 1.1.. Figura 1.1. Dibujos esquemáticos de las cinco tipos de hierros fundidos a) fundición gris; b) fundición blanca; c) fundición maleable; d) fundición dúctil o nodular y e) hierro grafito compacto. Fuente: Askeland D., 2006, p. 504. 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Los tipos de hierro fundido se pueden clasificar como sigue: Hierros fundidos grises. En los cuales la mayoría o todo el carbono esta sin combinar, se encuentra libre en forma de hojuelas o escamas de grafito. Para el estudio se aplica el diagrama estable Hierro – grafito. Aquí a 1154°C la reacción eutéctica es: 𝐿 (4.26%𝐶) → 𝛾 (2.08%𝐶) + 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑜 (100%𝐶).. Hierros fundidos nodulares. En los cuales mediante un proceso metalúrgico con Mg/Ce, el carbono esta sin combinar en forma de nódulos o esferoides compactos se obtiene de la fundición gris liquida.. Hierros fundidos blancos. En las cuales todo el carbono está en la forma combinada como cementita se llama así por la fractura que es de color blanco es dura y frágil.. Hierros fundidos maleables. En los cuales la mayoría o todo hierro el carbono esta sin combinar en la forma de rosetas (partículas redondas irregulares), conocido como carbono revenido o rosetas de carbono, el cual se obtiene mediante el tratamiento térmico de recocido del hierro fundido blanco.. Hierros de grafito compacto. Contiene grafito redondeado, pero interconectado, que también se produce durante la solidificación. La forma del grafito en el hierro fundido de grafito compacto es una forma intermedia entre hojuelas y esferas con numerosos de barras redondeados de grafito interconectados con el núcleo de la celda eutéctica.. Esta fundición a veces se llama grafito vermicular, también se forma al diagramarse el hierro nodular o dúctil. (Callister W., 1995, p. 370 - 375). 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. La figura 1.2, muestra las microestructuras de los hierros fundidos y de varios tratamientos térmicos aplicadas a ellas.. Figura 1.2. Tramo correspondiente a las composiciones de las fundiciones industriales. Se muestra también las microestructuras que resultan de varios tratamientos térmicos. Gf = hojuelas de grafito; Gr = rosetas de grafito; Gn = nódulos de grafito; P= perlita;  = ferrita. Fuente: Callister W., 1995, p. 374. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.3. Fundición Gris Los contenidos de carbono y de silicio de la fundición gris varían entre 2.5 a 4.0% en peso y 1.0 a 3.0% en peso, respectivamente. En la mayoría de las fundiciones grises el grafito se encuentra en la forma de hojuelas (similares a las hojuelas de maíz), que normalmente están rodeadas de una matriz de ferrita () o de perlita. En la figura 1.3. Se muestra la microestructura de una fundición gris típica. Debido a estas hojuelas de grafito, la superficie fracturada adopta una tonalidad gris, de ahí su nombre.. Desde el punto de vista mecánico, la fundición gris es comparativamente frágil y poco resistente a la tracción como consecuencia de su microrestructura; las puntas de las hojuelas de grafito son afiladas y puntiagudas, y pueden actuar como puntos de concentración de esfuerzos cuando se aplica un esfuerzo de tracción externo. La resistencia y la ductilidad a las cargas de compresión son muy superiores. (Callister W., 1995, p. 367). Figura 1.3. Fundición gris: las hojuelas de grafito oscuras están embebidas en una matriz ferrítica (). Fuente: Callister W., 1995, p. 367. 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Las fundiciones grises presentan algunas características muy convenientes, por ello se utilizan ampliamente. Son muy efectivas para el amortiguamiento de la energía vibratoria. Los bancos para maquinaria y para equipo pesado expuestos a vibraciones se construyen con este material. Además, la fundición gris tiene alta resistencia al degaste. Por otro lado, en estado fundido tiene una elevada fluidez a la temperatura de colada, lo que permite moldear piezas de formas intrincadas; también, la contracción de moldeo es baja.. Finalmente, y tal vez lo más importante, la fundición gris es uno de los materiales metálicos más baratos.. En la manufactura de hierros fundidos grises, la tendencia de la cementita a separarse en grafito y austenita o ferrita es favorecida controlando la composición de la aleación y las rapideces de enfriamiento. Estas aleaciones solidifican formando primero austenita.. La apariencia inicial de carbono es el grafito que resulta de la reacción eutéctica. El proceso de grafitización es ayudada por el alto contenido de carbono, la alta temperatura y la adecuada cantidad de elementos de grafitización, sobre todo el silicio.. La fundición gris seguirá el diagrama de equilibrio estable hierro – grafito (figura 1.4), formando austenita y grafito a la temperatura eutéctica. En cualquier caso, cualquier cementita que se forme se grafitizará con rapidez.. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura 1.4. Diagrama Hierro – Grafito. Fuente: Callister W., 1995, p. 370.. Durante el enfriamiento continuado, hay precipitación adicional de carbono debido al decremento en solubilidad de carbono en austenita, el cual se precipita como grafito o como cementita proeutectoide que grafitiza rápidamente. Las propiedades mecánicas, físicas y otras más de los hierros fundidos están íntimamente ligadas con su microestructura.. Estas estructuras pueden considerarse que consisten de: a) una matriz (ferrítica, perlítica o mezcla de ambos), b) uno o más constituyentes en exceso, cementita eutéctica, grafito, esteadita (fosfuro de hierro), sulfuro de manganeso o inclusiones. (Callister W., 1995, p. 370). 11 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.4. Propiedades generales de las fundiciones grises Las fundiciones son aleaciones férreas que requieren para su elaboración menos energía que los aceros, porque con similar capacidad calorífica su temperatura de fusión es menor. Presentan además excelente características de colabilidad y tienen poco rechupe. Su colabilidad es mejor cuando mayor sea el contenido de carbono, por su pequeño en el intervalo de temperaturas entre liquidus y solidus. Las eutécticas solidifican a temperatura constante. No es recomendable elevar la temperatura de colada para mejorar la colabilidad, pues, además de sobrecalentamiento aumenta el rechupe.. Las fundiciones grises dan poco rechupe, 1% de contracción lineal aproximadamente, inferior al de los aceros y fundiciones blancas, según tabla 1.1. La baja contracción al solidificar se debe a que su densidad (entre 6.95 y 7.35, menor cuanto más carbono); es inferior a la de la fundición blanca (7.7) a la de los aceros (aprox. 7.85), esta menor densidad de la fundición gris es por la presencia de grafito cuya densidad es 2.2 g/cm3 . (Pero J. y Sanz E., 1994, p. 49) Tabla 1. Contracción durante solidificación (ASM) Tipos de fundición. % Contracción. Fundición dúctil. 0.0 – 0.7. Fundición gris. 1.0. Fundición maleable. 1.0. Fundición austenítica. 1.3 – 1.5. Fundición blanca. 2.0. Acero al carbono. 2.0. Acero aleado. 2.5. Fuente: Pero J. y Sanz E., 1994, p. 50.. 12 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. El comportamiento mecánico de la fundición gris, resulta parecido al de un acero con numerosas microfisuras taponadas por grafito. La cohesión entre el grafito y la matriz metálica es casi nula. Debido a la gran diferencia entre el coeficiente de dilatación del fierro y el grafito, este se despega fácilmente de la matriz. Este explica varias propiedades de estas fundiciones: el color gris que presentan las fracturas, la capacidad para amortiguar vibraciones es mayor cuanto más grafito, su maquinabilidad generalmente buena, moderada resistencia a la tracción y bajos alargamientos.. La presencia de grafito equivale a microentallas, por eso el alargamiento a la tracción de las fundiciones grises laminares es pequeño o generalmente menor del 0.8%. La resistencia a la tracción depende del tipo de grafito, de su cantidad y de la estructura de la matriz. Puede señalarse con carácter general, que la resistencia a la tracción disminuye al aumentar el contenido de carbono de las fundiciones. Por consiguiente los valores de resistencia a la tracción, en las fundiciones grises, serán inferiores a los obtenidos en aceros, por ejemplo, la cantidad de resistencia de una determinada pieza de fundición gris, de 3.70% de carbono y 2.5% de silicio, de matriz plenamente perlítica es 137 MPa (14 kg/mm2 ) en tanto que un acero perlítico, incluso con perlita gruesa se lograría por lo menos 800 MPa (82 kg/mm2 ) de carga de rotura de tracción. (Pero J. y Sanz E., 1994, p. 54). 1.3.5. Tratamiento térmico de las fundiciones grises El tratamiento térmico de las fundiciones se realiza fundamentalmente para eliminar las tensiones internas que surgen durante el fundido. Estas tensiones conducen con el tiempo, a la. 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. variación de las dimensiones y forma de la fundición, disminución de la dureza y mejoramiento de la maquinabilidad por corte y una elevación de las propiedades mecánicas.. En. el. proceso. de. tratamiento. térmico. de. la. fundición. ocurren. las. mismas. transformaciones que en el acero. Sin embargo, éstas se complican por el hecho de que durante el calentamiento de la fundición se puede desarrollar el proceso de grafitización que cambia complementariamente la estructura y, por lo tanto, las propiedades de la fundición.. Entre los tratamientos más usados para una fundición gris son: el recocido y la normalización. Otros tratamientos como el austempering, el temple y revenido son usados en ocasiones limitadas. En términos de tratamiento térmico, las fundiciones grises pueden ser consideradas una composición de grafito libre (laminar) y el eutectoide perlita (matriz). La situación puede ser adicionalmente complicada por la variedad de sección, por consiguiente la respuesta térmica variará un poco. (Apraiz J., 1971, p. 101). 1.3.6. Recocido Existen dos procesos de recocido que suelen ser aplicados a las fundiciones grises: a. Recocido para eliminación de tensiones Los recocidos a bajas temperaturas como se señala, se realizan a 550°C durante un periodo de tiempo que varía de 30 minutos a varias horas, según sea el espesor de las piezas. Este proceso no tiene un efecto muy apreciable en las propiedades mecánicas, pero eliminan. 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. las tensiones que siempre suelen tener las piezas de fundición después de la solidificación y enfriamiento. Conviene dar este recocido a piezas de formas complicadas a que deban tener tolerancias dimensionales muy precisas, como cilindros de motores de explosión, bancadas de máquinas de herramientas, etc. Si no se eliminan estas tensiones las piezas pueden sufrir luego deformación durante la mecanización o durante el funcionamiento que en ocasiones crean importantes problemas y dificultades.. Deben emplearse velocidades lentas de calentamiento y en especial de enfriamiento, para evitar nuevas tensiones o roturas, sobre todo cuando las piezas son de formas complicadas.. b. Recocido de ablandamiento de las fundiciones grises y atruchadas Para ablandar las fundiciones se suelen emplear los siguientes tipos de recocidos:  Recocido a 740°C con enfriamiento al aire Para disminuir la dureza de las fundiciones grises se les somete a recocidos a 740°C aproximadamente con enfriamiento al aire. Este recocido es aplicable en fundiciones grises en bruto de colada que quedan relativamente duros y su mecanización es difícil.. En muchos casos las microestructuras de estas fundiciones en bruto están constituidos por grafito, ferrita y cantidades variables de perlita y sorbita. Estos constituyentes, perlita y sorbita, son los que le dan alta dureza y para facilitar la mecanización conviene transformarlo por recocido en ferrita y grafito.. 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Se debe de alcanzar en el recocido una temperatura de unos 740°C aproximadamente y mantenerlo a esta temperatura durante un cierto tiempo, se consigue que la perlita y la sorbita se transformen en austenita y de esta manera con el tiempo prolongado, la austenita va cediendo carbono que se deposita en forma de grafito, obteniéndose al final ferrita y grafito..  Recocido a 800 – 900°C Al recocer una fundición a 800 – 900°C en lugar de 740°C, se debe de tener una nueva precaución, es necesario enfriar lentamente y en general se obtienen durezas no muy bajas, que corresponden a la perlita que se forma en ese proceso.. Al calentar de 800 – 900°C, no hay formación de grafito, o esta formación tiene poca importancia, debido a que la temperatura de mantenimiento no es apropiada para el depósito de gran cantidad de grafito, y luego si el enfriamiento se hace con una velocidad de 25°C por hora, se obtiene perlita y no se obtendrán durezas tan bajas, como con el tratamiento anterior a 740°C. Por ejemplo, calentar a 850°C, se forma a esta temperatura austenita. Durante la permanencia a esta temperatura habrá formación de una pequeña cantidad de grafito y luego, en un enfriamiento al pasar la zona eutectoide se formará perlita.. Si se calienta a 850°C se puede obtener la microestructura de grafito y ferrita con enfriamiento muy lento o con una permanencia muy prolongada en la zona de 700 – 740°C, pero esta parada complica y prolonga el recocido.. 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. El tratamiento a 800 – 900°C es recomendable para las fundiciones grises, de gran dureza y para fundiciones atruchadas que contienen cementita hipereutectoide En esos casos, la dureza inicial que es alta del orden de 250 a 300 Brinell (HB), se podría disminuir con este recocido. Se calentara a 850°C aproximadamente y luego la velocidad de enfriamiento debe ser muy lenta, sobre todo en la zona crítica de 700 – 740°C, para facilitar el depósito de grafito eutectoide y luego se puede enfriar al aire. (Apraiz J., 1971, p. 101 - 104). La figura 1.5 muestra los tipos de tratamiento térmico de recocido que se puede aplicar a la fundición gris.. Figura 1.5: Ciclos más empleados para el recocido de la fundición gris. Fuente: Apraiz J., 1971, p. 101.. 1.3.7. Ensayo de dureza La dureza se define como la resistencia que opone un material a la penetración. La dureza de una fundición maleable es generalmente medida por el ensayo Brinell. 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. La prueba de dureza Brinell, que se usa desde 1900, se aplica principalmente para determinar la dureza en bulto de secciones pesadas, como los elementos forjados o colados. De todos los métodos de identación es el que necesita de menor preparación de la superficie sea relativamente lisa y esté libre de suciedad y escamas. Esta prueba se realiza imprimiendo una bola de acero de 10 mm de diámetro con una carga de 3000 Kg en la superficie durante un tiempo estándar, que por lo general es de 30 segundos, según figura 1.6. Para los metales no ferrosos, la carga se reduce a 500 Kg y en los metales muy duros se usa una esfera de tungsteno. Se mide el diámetro promedio de la impresión que resulta y de esto se puede determinar el número de dureza Brinell (NDB) con la fórmula: 𝑁𝐷𝐵 =. 𝑃 (𝜋 𝐷 ⁄2)(𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑 2 ). En la que P= carga aplicada (Kg); D= diámetro de la esfera (mm); d=diámetro de la impresión (mm).. Esta forma representa simplemente la carga (P) dividida entre el área de la superficie de una impresión de diámetro d. En la práctica real, no es necesario hacer cálculos; puesto que la carga es constante, los valores NDB que corresponden a varios diámetros de impresión se leen en una tabla. (Groover M., 1997, p. 58). Figura 1.6. Método de ensayo de dureza Brinell. Fuente: Groover M., 1997, p. 58. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.8. Ensayo de tracción Es uno de los ensayos de esfuerzo – deformación más común. Se utiliza para determinar varias propiedades mecánicas de materiales importantes (fluencia y límite elástico, resistencia a la tracción, ductilidad, resiliencia, tenacidad) para el diseño. Normalmente, una probeta se deforma hasta la rotura con una carga de tracción que aumenta en forma gradual y que se aplica uniaxialmente a lo largo del eje mayor de la probeta.. Figura 1.7. Probeta de tracción normalizada con sección transversal circular. Fuente: Callister W., 1995, p. 134.. En la figura 1.7, se muestra una probeta de tracción estándar. Por lo general, la sección de la probeta es circular, pero también se utilizan probetas rectangulares. Esta configuración de “hueso de perro” de la probeta se escogió a fin de que durante el ensayo la deformación este confinada a la región central más estrecha y también para reducir la posibilidad de fractura en los extremos de la probeta.. El diámetro estándar es aproximadamente igual a 12.8 mm (0.5 pulg), mientras que la longitud de la sección reducida debe ser por lo menos cuatro veces este diámetro; 60 mm (2 ¼ pulg) es lo usual. La longitud de prueba es el dato que se utiliza para calcular la ductilidad, el valor normalizado es 50 mm (2.0 pulg). 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. La probeta se sujeta en sus extremos con las mordazas de la máquina de ensayos, figura 1.8. La máquina de ensayos de tracción está diseñada para alargar la probeta a una velocidad constante, así como la medir continúa y simultáneamente la carga instantánea aplicada (con una celda de carga) y los alargamientos resultantes (utilizando un extensómetro).. El ensayo dura varios minutos y es destructivo; la probeta del ensayo se deforma de manera permanente y a menuda se fractura.. Figura 1.8. Representación esquemática del aparato utilizado para realizar ensayos de tracción. Fuente: Callister W., 1995, p. 135.. El resultado del ensayo de tracción se registra (comúnmente por medio de computadora) como carga o esfuerzo contra alargamiento. Las características de esfuerzo - deformación dependen del tamaño de la probeta. Para minimizar estos factores geométricos, la carga y el alargamiento están sujetos a la normatividad para los parámetros de esfuerzo nominal y deformación nominal, respectivos. El esfuerzo nominal σ se define mediante la relación:. 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 𝜎=. 𝐹 𝐴𝑜. Donde F es la carga instantánea aplicada a perpendicularmente a la sección transversal de la probeta, en unidades de newtons (N) o libras fuerza (lbf), y Ao es el área de la sección transversal original antes de aplicar la carga (m2 o pulg2 ). Las unidades de esfuerzo nominal (de aquí en adelante denominado simplemente esfuerzo) son megapascales, MPa (SI) (donde 1 MPa = 106 N/m2 ), y libras fuerza por pulgada cuadrada, psi (unidades del sistema ingles). La deformación nominal є se define como: 𝜖=. 𝑙 𝑖 − 𝑙 𝑜 ∆𝑙 = 𝑙𝑜 𝑙𝑜. Donde 𝑙 𝑜 es la longitud original antes de aplicar la carga y 𝑙 𝑖 es la longitud instantánea. Algunas veces el segmento 𝑙 𝑖 − 𝑙 𝑜 se denota simplemente mediante ∆𝑙, y es el alargamiento producido por deformación o el cambio de longitud en un instante determinado con respecto a la. longitud. inicial.. La. deformación. nominal (en. lo. sucesivo. llamada. simplemente. deformación) no tiene unidades, aunque a menudo se expresa en pulgadas por pulgada o en metro por metro; obviamente se expresa como un porcentaje, esto es, el valor de la deformación se multiplica por 100. (Callister W., 1995, p.136). a. Resistencia a la tracción Después de la fluencia, el esfuerzo necesario para continuar la deformación plástica en los metales aumenta hasta un máximo, punto M de la figura 1.9, y disminuye luego hasta que finalmente se produce la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS (Mpa o psi) es el esfuerzo máximo que puede soportar una estructura sometida a la tracción; si este esfuerzo aplicado se mantiene, se producirá la fractura. Hasta llegar a este punto, toda la deformación. 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. es uniforme en la región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se aplica el esfuerzo máximo se empieza a formar una estricción o cuello, y toda la deformación subsiguiente está confinada en la estricción, tal como se muestra en los dibujos por pasos de la figura 1.9. A este fenómeno se le denomina “formación de cuello” o estricción y finalmente la fractura ocurre en la estricción. La resistencia a la fractura corresponde con el esfuerzo a la fractura.. Figura 1.9. Comportamiento de esfuerzo-deformación típico hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS está indicada en el punto M. Fuente: Callister W., 1995, p. 145.. b. Ductilidad Es una medida del grado de deformación plástica que puede soportar un material antes de llegar a la fractura. Un material que se fractura con poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil. Los comportamientos de esfuerzo – deformación para materiales dúctiles y para materiales frágiles se ilustran en la gráfica de la figura 1.10.. 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura 1.10. Grafica de esfuerzo – deformación a la tracción para materiales frágiles y dúctiles ensayados hasta la fractura. Fuente: Callister W., 1995, p. 147.. La. ductilidad. puede. expresarse. cuantitativamente. como. el alargamiento. relativo. porcentual o como el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual, %EL, es el porcentaje de deformación plástica hasta la rotura, o bien: %𝐸𝐿 =. 𝑙𝑓 − 𝑙 𝑜 𝑥100 𝑙𝑜. Donde, 𝑙𝑓 es la longitud de la fractura y 𝑙 𝑜 es la longitud de prueba original. Mientras que una parte significativa de la deformación plástica a la fractura esta confinada a la región del cuello, la magnitud del %EL dependerá de la longitud de prueba a de la probeta. Por tanto se debe especificar el valor de 𝑙 𝑜 cuando se mencionan valores de alargamiento relativo porcentual; es común tomarlo igual a 50 mm o (pulgadas).. Es importante conocer la ductilidad de los materiales al menos por dos razones. En primer lugar, indica al diseñador el grado en que una estructura podrá deformarse 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. plásticamente antes de producirse la fractura En segundo lugar, especifica el grado de deformación permisible durante las operaciones de manufactura. (Callister W., 1995, p. 147). 1.4. Problema ¿Cómo afecta la temperatura de recocido en el rango de 800 a 1000 °C sobre la microestructura,. resistencia a la tracción, tensión de fluencia, ductilidad y dureza. de una. fundición gris perlítica?. 1.5. Hipótesis Un incremento de la temperatura de recocido en el rango de 800 a 1000 °C, por 6 horas en una fundición gris perlítica disminuye la dureza, resistencia a la tracción, y así mismo aumenta la ductilidad, y con respecto a la microestructura la perlita con el aumento de la temperatura de recocido se irá transformando en ferrita debido a la descomposición de la perlita en ferrita y grafito en forma de hojuelas (Gf).. 1.6. Objetivos 1.6.1. Objetivo general Determinar el efecto de la temperatura de recocido mediante el tratamiento térmico de recocido a en el rango de 800 a 1000°C por 6 horas sobre la dureza, resistencia a la tracción, ductilidad y microestructura en la fundición gris perlítica en la obtención de una fundición gris ferrítica; a partir del tratamiento térmico de recocido, mediante el ensayo de dureza (HB), ensayo de tensión y análisis microestructural.. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.6.2. Objetivos específicos  Evaluar el comportamiento de la temperatura de recocido en el rango de 800 a 1000 °C por 6 horas en la fundición gris perlítica sobre la dureza y su relación con la microestructura.  Evaluar el comportamiento de la temperatura de recocido en el rango de 800 a 1000 °C por 6 horas en la fundición gris perlítica sobre la resistencia a la tensión, ductilidad y dureza en la obtención de una fundición gris ferrítica  Determinar la temperatura mínima de recocido de la fundición gris perlítica en estudio en el rango de 800 a 1000 °C por 6 horas, en el cual la austenita se transforma totalmente en ferrita.  Analizar la influencia de la temperatura de recocido sobre las propiedades en estudio de la fundición gris perlítica, mediante graficas para observar los puntos óptimos.. 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CAPITULO II. MATERIALES Y MÉTODOS. 2.1. Material de estudio En esta investigación se utilizó barras cilíndricas de fundición gris perlítica de 15 mm de diámetro x 200 mm de longitud, fabricado y suministrado por Fundición Metalúrgica y Servicios Afines (FUMETSA).. Características del material de estudio a. Composición química Tabla 2.1. Composición química de la fundición gris perlítica. Elemento %. C. Si. Mn. S. P. C.E.. 3.00. 2.10. 0.62. 0.10. 0.12. 3.7 aprox.. Fuente: Fundición Metalúrgica y Servicios Afines (FUMETSA). Trujillo – Perú.. b. Propiedades mecánicas Tabla 2.2. Propiedades mecánicas de la fundición gris perlítica. Estado de suministro Fundido. Características Mecánicas Resistencia a la tracción Kg/mm2 MPa 28.12 276. Ductilidad (%) 0.8. Dureza (HB) 246. Fuente: Fundición Metalúrgica y Servicios Afines (FUMETSA). Trujillo – Perú.. 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. c. Características metalográficas. a). b) Figura 2.1. Fotomicrografía de la fundición gris en estudio en estado fundido (suministro). a) La microestructura de la fundición muestra hojuelas de grafito (Gf) tipo A y B. Sin ataque químico. 200X. b) Fotomicrografía de la fundición (suministro). La microestructura consta de perlita (matriz), hojuelas de grafito (Gf), también se observa esteadita (calor claro), característica de una fundición gris perlítica hipoeutéctica. Dureza: 226 HB. Ataque químico: Nital 3%. 200X. 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.